Der Nordstern von Frankreich aus gesehen.(Bildnachweis: Getty Images)
In unserem Sonnensystem, verstreut über einen der grünen Berge der Erde, blicken sechs eierschalenweiße Teleskope in die Tiefen des Universums. Wie ein zusammenhängender Bienenstock sammeln die kuppelförmigen Strukturen das kosmische Licht, um den modernen Astronomen bei der Erforschung des Weltraums den Weg zu weisen – und dank dieses Bienenstocks haben wir jetzt eine brillante neue Perspektive auf das Licht, das die Astronomen der Vergangenheit geleitet hat: den Nordstern.
Unser visuelles Wissen über den aktuellen Nordstern (wegen der Achsendrehung der Erde wechselt der Titel im Laufe der Äonen zu verschiedenen Sternen) reicht weit zurück. Alte und neue Künstler haben den Polarstern auf ihren Gemälden abgebildet, Astrofotografen haben ihn von ihren Hinterhöfen aus fotografiert und Wissenschaftler haben ihre Instrumente seit Jahrzehnten auf ihn gerichtet. Das Besondere an diesen neuen Polaris-Bildern, die mit freundlicher Genehmigung des CHARA-Arrays auf dem Mount Wilson in Kalifornien entstanden sind, hat jedoch mit der Auflösung zu tun. Das Besondere an CHARA ist, wie bereits erwähnt, dass die Teleskope im Tandem arbeiten. Ihre Lichtdaten werden in einer zentralen Einrichtung kombiniert, um ein vollständiges, klares Bild einer Quelle zu erhalten. Es ist, als ob das Sextett von Arbeitsteleskopen ein einziges Teleskop mit einem Durchmesser von 330 Metern bildet. Aus diesem Grund ist die Bildauflösung des Projekts – insbesondere die Winkelauflösung – hervorragend.
Nach der Überprüfung einiger dieser Polaris-Bilder, die mit CHARA-Beobachtungen aus den Jahren 2016 bis 2021 kombiniert wurden, fanden die Wissenschaftler einige bisher unbekannte Merkmale des Sterns. Vor allem gibt es erkennbare Flecken auf der Oberfläche des Sterns, ähnlich wie die Sonnenflecken, die wir hin und wieder auf der Sonne sehen.
„Die CHARA-Bilder zeigten große helle und dunkle Flecken auf der Oberfläche von Polaris, die sich im Laufe der Zeit veränderten“, sagte Gail Schaefer, Direktorin des CHARA-Arrays, in einer Erklärung.
Einer der Hauptgründe für diese überraschende Erkenntnis ist die Tatsache, dass Polaris kein gewöhnlicher Stern ist. Er ist eine Art Stern, der als Cepheid-Veränderlicher bekannt ist, was bedeutet, dass er in regelmäßigen Abständen heller und schwächer wird. Insbesondere Polaris wird in einem viertägigen Zyklus heller und schwächer, und Wissenschaftler lieben es, Cepheiden aufgrund dieses sehr vorhersehbaren Verhaltens zu lokalisieren. Das liegt daran, dass diese Sterne für kosmische Entfernungsmessungen verwendet werden können. Grundsätzlich kann die Beobachtung der Helligkeitsveränderung eines Cepheiden über einen Zyklus hinweg seine wahre Helligkeit offenbaren.
Im Gegensatz dazu wäre ein Stern ohne vorhersagbare periodische Pulsationen nicht sehr zuverlässig für solche Messungen. Auf die Gefahr hin, die Sache zu vereinfachen, könnte ein lichtschwacher Stern zum Beispiel entweder weit weg oder einfach nur klein sein – oder er könnte aus einem anderen Grund seltsam lichtschwach sein. Oder er könnte einfach nur zu dem Zeitpunkt schwach sein, zu dem er beobachtet wurde.
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Das CHARA-Team sagt, dass diese hochauflösenden Bilder von Polaris den ersten „Blick auf die Oberfläche eines Cepheidenveränderlichen“ ermöglichen. Es war also faszinierend, Flecken mit diesem ersten Blick zu finden. Aber diese Flecken waren nicht das einzige Ergebnis der Analyse des Teams.
CHARA Array Falschfarbenbild von Polaris vom April 2021, das große helle und dunkle Flecken auf der Oberfläche zeigt. Polaris erscheint etwa 600.000 Mal kleiner als der Vollmond am Himmel. (Bildnachweis: CHARA Array)
Im Gegensatz zu unserer einsamen Sonne durchstreift Polaris das Universum nicht allein. Mit der 46-fachen Größe unseres Wirtssterns und über 400 Lichtjahre von uns entfernt, ist er Teil eines Dreifach-Sternsystems. Er ist nur zufällig der hellste seiner Geschwister. Das ursprüngliche Ziel von CHARAs Polaris-Untersuchung war es, die Umlaufbahn des Sterns zu kartieren, der unseren Nordstern einmal alle 30 Jahre umkreist. Er ist derjenige, der viel näher ist als die anderen, was das Unterfangen zu einem komplexen Unterfangen macht. Dieser Stern schwebt nicht nur sehr nahe am Polarstern, sondern sein Begleiter ist auch unglaublich schwach. Seine Existenz wurde erst im Jahr 2005 bestätigt, was dem Hubble-Weltraumteleskop zu verdanken ist.
„Der geringe Abstand und der große Helligkeitskontrast zwischen den beiden Sternen macht es extrem schwierig, das Doppelsternsystem bei ihrer nächsten Annäherung aufzulösen“, sagte die Leiterin des Teams, Nancy Evans vom Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian, die auch bei der Identifizierung des Begleiters half, in der Erklärung. Aus diesem Grund griff das Team auch auf einige andere astronomische Instrumente zurück, wie z. B. ein Speckle-Interferometer am Apache Point Observatory in New Mexico.
Polaris und sein Begleiter, aufgenommen mit dem Hubble-Weltraumteleskop im Jahr 2006. (Bildnachweis: NASA, ESA, N. Evans (Harvard-Smithsonian CfA), und H. Bond (STScI))
Diese Mission war in der Tat ein Erfolg, denn sie hat dazu beigetragen, Dinge wie die Größe von Polaris zu bestätigen und Hinweise darauf zu liefern, dass der Stern etwa fünfmal massereicher als die Sonne sein könnte – was schwerer ist als bisher angenommen. Diese Entdeckung ist an sich schon wichtig, da, wie Evans gegenüber ScienceNews erklärte, bisher nur für einige wenige Cepheiden die Masse bestimmt wurde. Sie wirft auch einige interessante Fragen auf, die in Zukunft erforscht werden sollen. „Die Masse in Kombination mit der Entfernung zeigt, dass der Cepheid heller leuchtet, als es die Entwicklungsspuren für diese Masse vorhersagen“, schreiben die Autoren der Studie.
Allerdings scheint die fleckige Natur des Nordsterns das Rampenlicht eingenommen zu haben. Die Bereiche des Sterns, auf denen Flecken zu sehen sind, und die Geschwindigkeit, mit der der Stern rotiert, deuten auf eine 120-tägige Schwankung der Radialgeschwindigkeit hin – was sich im Wesentlichen auf Änderungen der Geschwindigkeit des Objekts entlang der Sichtlinie eines Beobachters bezieht. Das wirft noch ein weiteres Rätsel auf.
„Wir planen, Polaris auch in Zukunft abzubilden“, sagte John Monnier, Astronomieprofessor an der Universität von Michigan und Mitautor der Studie, in der Erklärung. „Wir hoffen, dass wir den Mechanismus, der die Flecken auf der Oberfläche von Polaris erzeugt, besser verstehen werden.
Die Studie wurde am 20. August in The Astrophysical Journal veröffentlicht.
