Staubige Riesen

Dieses Projekt zielt auf das Studium der Staubhüllen um entwickelte Rote Riesensterne ab, welche sich am Asymptotischen Riesenast (engl. AGB) befinden. Alle Sterne mit niedrigen und mittleren Massen (M < 8 M sonne ) erreichen das AGB-Stadium gegen Ende ihrer Entwicklung, ihre Untersuchung kann uns daher auch Aufschluss über die Zukunft unseres eigenen Sonnensystems geben. Andererseits waren für die Bildung der erdähnlichen Planeten schwere Elementen und Staub notwendig, welche bereits in Objekten der vorigen Sterngenerationen im AGB-Stadium produziert wurden. Weiterer Fortschritt für unser Verständnis des Aufbaus und der Zusammensetzung von Staubhüllen um AGB- Sterne wird nur möglich sein durch eine Kombination von astronomischen Beobachtungen (hauptsächlich IR- Spektroskopie), Modellierung synthetischer Spektren und Laborarbeiten. Während der letzten zehn Jahre wurden viele spektroskopische IR-Beobachtungen von zirkumstellaren Hüllen durchgeführt und experimentelle Ergebnisse an Analogmaterialien zu kosmischem Staub erzielt. Unsere Arbeitsgruppe war nicht nur an der Gewinnung von Spektren mittels des letzten großen IR-Weltraumteleskops - ESA`s ISO-Mission - beteiligt, sondern bekam auch einen Antrag auf Beobachtung von AGB-Sternen in einem entfernten Kugelsternhaufen mit Hilfe des gerade in Betrieb befindlichen Weltraumteleskops Spitzer der NASA (seit 2003 im Orbit) bewilligt. Obwohl es von Seiten einiger Gruppen Bemühungen gegeben hat die derzeit verfügbaren Spektren von Staubhüllen im mittleren Infraroten durch Vergleich mit Strahlungstransport-Rechnungen zu interpretieren, machen die neuen, genaueren Daten umfassende Verbesserungen in der Modellierung notwendig. Darüber hinaus sind weitere Messungen von IR-Eigenschaften einiger Staubanaloga nötig, um die Emissionsbanden in den oben genannten astronomischen Spektren richtig deuten zu können. Das beantragte Projekt zielt auf daher auf folgendes ab: a) Ergänzende Labormessungen, speziell bei Fern-IR-Wellenlängen und bei (z.B. tiefen) Temperaturen, welche bisher vernachlässigt wurden; b) Berechnung eines Gitters von synthetischen Spektren von Atmosphären und Staubhüllen von AGB-Sternen basierend auf neuesten dynamischen Modellen; c) Interpretation der aktuellen Spitzer-Beobachtungen mittels einer Kombination von a) und b). Das Hauptziel des beantragten Projekt ist, ein tiefgehendes Verständnis der zirkumstellaren Staub-hüllen zu erlangen. Speziell der Einfluss unterschiedlicher Staubschichtung auf das beobachtbare Spektrum wurde in vergangenen Modellrechnungen vernachlässigt, was im Rahmen der neuen Modelle durch einen innovativen Zugang (der bislang nur für einige kohlenstoffreiche AGB-Sterne verwendet wurde) untersucht werden soll. Der Vergleich mit neu beobachteten Spitzer-Spektren von AGB-Sternen in Kugelhaufen - und zusätzlichen Daten aus dem ISO-Archiv - wird es uns erlauben, die Bedingungen der Bildung und weiteren Entwicklung kosmischen Staubs im genannten astrophysikalischen Szenario einzuschränken.

Kosmischer Staub spielt eine Schlüsselrolle bei vielen Prozessen im Universum. Seinen Ursprung hat er zu einem wichtigen Teil in den kühlen Hüllen von weit entwickelten Roten Riesensternen mit ausgeprägten Sternwinden. Alle sonnenähnliche Sterne mit niedrigen und mittleren Massen erreichen dieses Stadium gegen Ende ihrer Entwicklung, ihre Untersuchung kann uns daher auch Aufschluss über die Zukunft unseres eigenen Sonnensystems geben. Andererseits waren für die Bildung der erdähnlichen Planeten schwere Elemente und Staub notwendig, welche bereits in Objekten der vorigen Sterngenerationen im Stadium des Roten Riesen produziert wurden. Damit berührt die Beschäftigung mit Kosmischem Staub sogar zentrale Fragen unserer menschlichen Existenz. Im Rahmen des Projekts wurden nun erstmals drei verschiedene Forschungsansätze kombiniert und in internationaler Zusammenarbeit durchgeführt: Erstens wurden - insbesondere mit Weltraumteleskopen gewonnene Beobachtungsdaten von "sterbenden" Sternen analysiert und auf die Zusammensetzung und räumliche Verteilung des vorhandenen Staubes geschlossen. Hier ist nach dem im Mai 2009 erfolgten Start des ESA Satellitenobservatoriums Herschel auch in allernächster Zukunft noch sehr viel mehr zu erwarten. Zweitens wurden in Zusammenarbeit mit spezialisierten Labors irdische Analogmaterialen von kosmischem Staub mit spektroskopischen Methoden untersucht, um Anhaltspunkte über die oft unklaren Trägersubstanzen von bei Sternen beobachteten Staubsignaturen zu gewinnen. Dieser transdisziplinäre Ansatz soll auch in Zukunft fortgesetzt werden. Drittens wurden - und dies war der aufwändigste Teil des Projekts - die verschiedenen Schlüsselprozesse des Staubmassenverlustes am Computer modelliert. Als wichtigste Aspekte stellten sich dabei die Auswirkung der dynamischen Pulsation der Sterne, die chemische Zusammensetzung der Sternatmosphären, letztlich die Quelle des Ausgangsmaterials des Staubes und die Staubbildung mit ihrer komplexen Physik selbst heraus. Erst die Zusammenführung obiger drei Zugänge ermöglichte es uns, einen tieferen und durch Evidenz abgesicherten Blick in den Staubmassenverlust von pulsierenden, roten Riesensternen, und damit auf die Zukunft unserer eigenen Sonne zu gewinnen.