Stellare Seismologie

Die Seismologie der Sterne befasst sich mit den angeregten Schwingungen der Sterne und ihre Aussage über den Aufbau und die Entwicklung der Sterne. Normalerweise können mit Teleskopen nur die äußere Hüllen der Sterne gemessen werden. Das Innere ist uns verborgen. Aber dort findet das wichtige Kochen der chemischen Elemente statt. Um das Innere der Sterne zu erforschen müssen wir indirekte Methoden anwenden. Eine der wichtigsten Methoden ist die Untersuchung der Sternschwingungen. Wie auch bei der Sonnenseismologie, ist es wichtig, die Vielfalt der angeregten Frequenzen experimentell zu messen und mit den Sternmodellen zu vergleichen, um diese zu verbessern. Das sogenannte Delta Scuti Netzwerk an der Universität befasst sich schon seit zwei Jahrzehnten mit der Verbindung zwischen Sternschwingungen und der Struktur der Sterne. Teleskope auf fünf Kontinenten werden "zusammengefasst", um die ganze Erde als Teleskop zu benutzen und die Tageslücken, in denen keine Helligkeitsmessungen möglich sind, auszugleichen. Die Astronomen, oft noch Studenten, werden an die Teleskope in vielen Ländern mit exzellenten Wetterbedingungen geschickt, um die Messungen durchzuführen. Ein relative neue Methode befasst sich mit den Veränderungen auf der Sternoberfläche. Die Bewegungen und Verformungen können spektroskopisch gemessen werden und geben Hinweise auf die Art der angeregten Schwingungen. Gerade bei Sternen im Erwachsenenstadium (Wasserstoffbrennen) sind die nichtradialen Schwingungen an der Sternoberfläche sehr stark mit den Pulsationen im Sternkern gekoppelt. Dieses ermöglicht genaue Modelle des Kerns. In dieser Hinsicht bilden die sogenannten Delta Scuti Sterne eine ideale Werkstätte für die Untersuchungen des Sternaufbaus und Voraussagen über die Zukunft dieser Sterne.

Das Innere der Sterne bleibt unseren Augen verborgen und kann nur indirekt erforscht werden. Eine wichtige Methode ist die Untersuchung der angeregten stellaren Schwingungen. Die Eigenschaften dieser Schwingungen hängen von den physikalischen und chemischen Eigenschaften von jeder Schicht eines Sterns ab. Aus diesem Grund können genaue Messungen des Pulsationsverhaltens zu realistischen Modellen des Sternaufbaus, der Sternentwicklung und den physikalischen Prozessen in den Sternen führen. In diesem Projekt wurde das Innere der Sterne über die angeregten stellaren Schwingungen untersucht. Es konnten etwa 1000 Beobachtungsnächte an internationalen Sternwarten mit hervorragenden atmosphärischen Bedingungen genutzt werden. Dabei wurden sowohl photometrische wie auch spektroskopische Messungen gewonnen. Die Daten lieferten eine Rekordanzahl (für erdgebundene Teleskope) von Pulsationsfrequenzen. Für die Entwicklung detaillierter Sternmodelle sind aber zusätzliche Informationen über die Pulsationsmoden nötig: die sogenannte Modenidentifikation. Dies wurde durch ein wichtiges Analysewerkzeug erreicht: Messungen in zwei verschiedenen Filtern, um die Phasendifferenzen und Amplitudenverhältnisse der Helligkeitsveränderungen zu vergleichen. Außerdem konnten durch die Verwendung von zwei Filtern die Eindeutigkeit der gemessenen Frequenzergebnisse untersucht und bestätigt werden. Die Daten wurden in einem Zeitraum von vier Jahren gewonnen: die daraus resultierende hohe Auflösung der Frequenzen ermöglichte die Trennung einzelner Pulsationsmoden mit fast identischen Frequenzwerten. Somit konnten die Frequenzkombinationen von den unabhängigen einzelnen Frequenzen sauber getrennt werden, was für genaue Sternmodelle essentiell ist. Im Wesentlichen konnten keine Zeitverschiebungen zwischen den Amplitudenvariationen der einzelnen Pulsationsmoden und ihren Kombinationen festgestellt werden: dies spricht gegen eine resonante Anregung bei den Kombinationsfrequenzen, und unterstützt die Erklärung nichtlinearer Veränderungen im Stern. Künftige Modelle müssen also auf diese Nichtlinearitäten eingehen. Detaillierte astrophysikalische Eigenschaften der Delta Scuti Sterne 44 Tau, FG Vir sowie EE Cam mit besonderer Berücksichtigung ihrer chemischen Zusammensetzung, ihres Entwicklungs-zustandes und innerer physikalischer Prozesse konnten erhalten werden. Aus diesen Ergebnissen, die aus teleskopischen Beobachtungen gewonnen wurden, folgt die Notwendigkeit für zukünftige asteroseismische Satellitenbeobachtungen: die beobachtete Gruppierung von Pulsationsfrequenzen der Moden niedrigen Grades erfordern lange Beobachtungskampagnen über mehrere Monate (Warnung). Auf der anderen Seite konnte gezeigt werden, dass der Entwicklungszustand von Sternen mit kleiner Rotationsgeschwindigkeit schon alleine über die Frequenzdaten ermittelt werden kann (eine positive Entwicklung). Schließlich haben wir statistische Werkzeuge für die Analyse von erdgebundenen Daten und Satellitenbeobachtungen entwickelt.