Für den Normalbürger sind die unzähligen Lichtpunkte, die am Nachthimmel zu sehen sind, allesamt Sterne. In Wirklichkeit handelt es sich bei einigen um benachbarte Planeten, bei anderen um ferne Sonnen oder sogar um Galaxien, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind. Alles hängt davon ab, wie weit sie im Raum entfernt sind. Daher ist die Bestimmung der genauen Entfernung eines Himmelsobjekts in der Astronomie von entscheidender Bedeutung und gleichzeitig eine der größten Herausforderungen dieser Disziplin.
Die Wissenschaftler verfügen nun über ein hochmodernes Instrument: die Gaia-Mission. Das optische Teleskop, das vor zehn Jahren von der ESA ins Leben gerufen wurde, hat ein völlig neues Fenster in unser nahes Universum geöffnet, indem es astrometrische Daten von fast zwei Milliarden Sternen liefert, d. h. ihre Position, Entfernung und Bewegung.
Für die "Standard candles and distances"-Gruppe an der EPFL, die sich der Messung der Expansion des Universums widmet, ist Gaia ein wertvolles Instrument. "Gaia hat die Anzahl der Sterne, deren Parallaxen gemessen werden, um den Faktor 10.000 erhöht, da die Genauigkeit und Qualität der Beobachtungen im Vergleich zu seinem Vorgänger, der Hipparcos-Mission der ESA, deutlich verbessert wurde", beschreibt Prof. Richard Anderson, der die Gruppe leitet. Die Wissenschaftler nutzen insbesondere die Parallaxenberechnung, die der Satellit für jeden Stern liefert. Die Parallaxe ist eine Methode zur Messung astronomischer Entfernungen, die auf dem Winkel beruht, der durch eine "Triangulation" zwischen Gaias Position im Weltraum, der Sonne und dem zu untersuchenden Stern gebildet wird. Je weiter der Stern entfernt ist, desto schwieriger wird die Messung, da die Parallaxe mit zunehmender Entfernung immer kleiner wird.
Trotz des durchschlagenden Erfolgs von Gaia ist die Parallaxenmessung komplex, und es gibt immer noch kleine systematische Effekte, die überprüft und korrigiert werden müssen, damit die Parallaxen des Satelliten ihr volles Potenzial entfalten können. Wissenschaftler der EPFL und der Universität Bologna in Italien führten diese Arbeit an über 12.000 Roten Riesensternen* durch, der bislang größten und genauesten Stichprobe.
"Wir identifizieren diese Verzerrungen, indem wir die von Gaia berechneten Parallaxen mit den Parallaxen derselben Sterne vergleichen, die wir mit Hilfe der Asteroseismologie bestimmen", erklärt Saniya Khan, Erstautorin einer Studie zu diesem Thema, die heute in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wird.
Beben eines Sterns
So wie es möglich ist, die innere Struktur der Erde mithilfe von Erdbeben zu untersuchen, kann man mithilfe der Asteroseismologie die physikalischen Eigenschaften eines Sterns herausfinden, indem man seine Vibrationen und Schwingungen beobachtet. Im Rahmen dieser Disziplin messen Wissenschaftler selbst kleinste Veränderungen der Lichtintensität eines Sterns und wandeln diese in Schallwellen um, was zu einem Frequenzspektrum führt."Anhand dieses Spektrums können wir die Entfernung des Sterns bestimmen", beschreibt die Forscherin. So erhalten wir asteroseismische Parallaxen. In unserer Studie haben wir uns die Musik von sehr vielen Sternen angehört, von denen einige 15.000 Lichtjahre entfernt sind!"
Aber wie funktioniert das? Die Geschwindigkeit, mit der sich die Schallwellen ausbreiten, wird von der Temperatur und der Dichte im Inneren des Sterns beeinflusst. "Durch die Analyse der Frequenz dieser Sternvibrationen können Wissenschaftler die Größe eines Sterns genau bestimmen, so wie man die Größe eines Musikinstruments anhand des Klangs, den es erzeugt, abschätzen kann.Andrea Miglio, Professor an der Fakultät für Physik und Astronomie der Universität Bologna und einer der Autoren der Studie, erläutert: "Wenn man den Klang eines Sterns mit den Tönen vergleicht, die er erzeugt - man denke nur an die unterschiedlichen Töne einer Violine und eines Cellos -, dann kann man feststellen, dass der Stern in der Lage ist, den Klang zu bestimmen, den er erzeugt.
Ausgefeilte Analyse
Sobald die Größe eines Sterns bekannt ist, können Astronomen seine Helligkeit bestimmen, die mit dem von der Erde aus wahrgenommenen Licht verglichen wird. Spektroskopische Beobachtungen liefern außerdem die Temperatur und die chemische Zusammensetzung. Diese Ergebnisse werden dann mit den von Gaia gemeldeten Parallaxen verglichen, um ihre Genauigkeit zu testen.
Nur mithilfe der Asteroseismologie lässt sich die Genauigkeit von Gaias Parallaxe am gesamten Himmel überprüfen, sowohl bei schwachen als auch bei starken Sternen, fügt Saniya Khan hinzu. Und ihrer Meinung nach hat diese Methode eine große Zukunft...
"Laufende und zukünftige Weltraummissionen wie TESS oder PLATO, die sich der Erfassung und Entdeckung von Exoplaneten widmen, werden die Asteroseismologie nutzen und die erforderlichen Datensätze in immer größeren Himmelsregionen liefern", freut sie sich. Techniken wie unsere werden daher eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung von Gaias Parallaxenmessungen spielen, die uns helfen werden, unseren Platz im Universum zu klären, und die einer Vielzahl von Teilbereichen der Astrophysik zugute kommen werden".
*Veröffentlichung in A&A August 2023: https: //www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202346196
