Die Ursprünge des kosmischen Staubes

Staub stellt einen wichtigen Bestandteil der gesamten Materie im Universum dar. Während Staubentstehung im interstellaren Medium (ISM) zu vernachlässigen ist, liegen die notwendigen Bedingungen in den kühlen Winden entwickelter Sterne vor. Die gebildeten Staubpartikel - d.h. mikroskopisch kleine Festkörper in der Größenordnung von Mikrometern - werden an das umgebende ISM abgegeben und erheblich umgewandelt. Schließlich werden sie Teil von dichten Molekülwolken und protoplanetaren Scheiben, dem Ausgangspunkt für die nächste Generation von Sternen und Planetensystemen. Auf lange Sicht liefern die Minerale im stellaren Staub auch das chemische Ausgangsmaterial für Leben im Kosmos. Obwohl der Grossteil der interstellaren Staubmasse durch Wachstum im ISM gebildet wird, sind die ursprünglichen zirkumstellaren Staubkörner essentiell wichtig, weil refraktäre Elemente auf ihnen auskondensieren und aufwachsen. Winde von Sternen am Asymptotischen Riesenast (engl. AGB) bilden die primäre Quelle für kosmischen Staub. Solche roten Riesensterne mit ausgeprägtem Massenverlust stoßen einen Grossteil ihrer Anfangsmasse ab, unter anderem in Form von Staub. Die entstehenden Staubhüllen kann man mittels Spektroskopie im Infraroten (IR) untersuchen, die mineralogische Zusammensetzung spiegelt sich in charakteristischen spektralen Merkmalen (den vorkommenden Staubsorten zuordenbare spektrale Banden) wider. Das Projekt zielt auf die Modellierung von AGB-Winden ab, wobei die detaillierte Behandlung des Staubentstehungsprozesses im Mittelpunkt stehen wird. Die Windmodelle werden auf geeignete Weise mit Atmosphärenmodellen kombiniert werden. Darauf basierend werden detaillierte und realistische synthetische Spektren gerechnet, inklusive aller notwendigen Molekül- und Staubbeiträge. Diese innovative Methode mit etlichen Vorzügen gegenüber bisherigen Modellierungszugängen wird verwendet, um ein umfassendes Modellgitter zu generieren. Die resultierenden Spektren werden eine systematische Untersuchung der zirkumstellaren Mineralogie von AGB-Sternen mit Massenverlust in Abhängigkeit von diversen stellaren und Wind-Parametern (z.B. Leuchtkraft, Effektivtemperatur, Masse, Metallizität, C/O, Massenverlustrate) ermöglichen. Das Modellgitter wird wichtig für die Interpretation von unterschiedlichsten beobachteten Spektren sein (Identifikation von Staubspezies) und zur Abschätzung von Massenverlustraten eingesetzt werden können. Ein Koppeln der Modellspektren mit synthetischen AGB-Entwicklungsmodellen wird es erlauben, die Staubzusammensetzung der zirkumstellaren Hüllen während der Entwicklung am AGB zu simulieren. Zusätzlich werden wir verbesserte Abschätzungen für Staubproduktionsraten von AGB-Sternen über deren gesamte Lebensdauer erhalten. Im Gegenzug werden die Modellresultate eine substantielle Verbesserung für Populationssynthese-Studien darstellen. Die detaillierte und konsistente Behandlung der Staubeffekte wird eine realistischere Interpretation von Beobachtungsdaten im IR (AGB-Sterne liefern den Hauptbeitrag in diesem Bereich für Sternpopulationen mit Altern von 1-10Gyr) ermöglichen und damit auch zu unserem Verständnis der chemischen Entwicklung von Galaxien beitragen. Zusammenfassend lässt sich sagen: das Projekt wird über die wichtige Rolle von AGB-Sternen im kosmischen Materiekreislauf Aufschluss geben und die Ursprünge des kosmischen Staubes zurückverfolgen.

Kosmische Staubpartikel (d.h. kleine Festkörper von der Größenordnung Mikrometer) spielen eine wichtige Rolle im kosmischen Materiekreislauf als Träger von Materie (speziell schwere Elemente), Energie und Impuls. Man nimmt an, dass die kühlen Ausströme von roten Riesensternen die Hauptquelle von neu gebildeten Staubkörnern sind. Das Projekt hat sich mit genau dieser Art von kosmischen Objekten auseinandergesetzt, welche Sterne wie unsere Sonne in einem weit fortgeschrittenen Stadium der Sternentwicklung darstellen, bevor diese ihre äußeren Schichten mittels Sternwind abwerfen und ihr Leben als weiße Zwerge beenden. Der zirkumstellare Staub wird dann ans umgebende interstellare Medium abgegeben und später in dichte Molekülwolken eingebaut. Nach substantiellen Umwandlungsprozessen landen die Staubkörner schließlich in der nächsten Generation von Sternen und deren Planetensystemen, wodurch sie das Ausgangsmaterial für erdähnliche Planeten und für das Leben im Universum liefern (Wir sind Sternenstaub.). Drei wissenschaftliche Disziplinen müssen kombiniert werden, um unser Wissen über zirkumstellaren Staub zu erweitern. Erstens, spektroskopische Beobachtungen von solchen Objekten und deren Staubhüllen im Infraroten (wo die verschiedenen Staubspezies ihren charakteristischen Daumenabdruck hinterlassen) mittels Weltraumteleskopen (wegen der Undurchlässigkeit der Erdatmosphäre). Zweitens, Laborstudien welche die optischen Eigenschaften des Staubmaterials untersuchen. Und drittens, Modellrechnungen der staubhaltigen Winde mithilfe von Computern und ausgeklügelten Algorithmen. Auf diesem letzten Punkt lag der Fokus des vorliegenden Projekts. Basierend auf sehr detaillierten Modellen für die äußeren Schichten von entwickelten roten Riesen wurden beobachtbare Eigenschaften solcher Objekte simuliert (wie z.B. Spektren, welche charakteristische Merkmale von Molekülen und Staubkörnern enthalten), welche danach mit Beobachtungsdaten verglichen werden können. So ein Vergleich mit dem Hauptaugenmerk auf der zirkumstellaren Staubmineralogie liefert Einblicke in die Staubentstehungsprozesse in Sternwinden (als Funktion von fundamentalen Stern- und Windparametern). Dadurch führen Untersuchungen wie jene in diesem Projekt zu einem besseren Verständnis des (Staub-)Massenverlust-Phänomens, der Anreicherungsprozesse des interstellaren Mediums mit schweren Elementen, sowie der Rolle von roten Riesen für Sternpopulationen (Galaxienentwicklung) und den gesamten Materiekreislauf. Nicht zuletzt, eröffnen sie uns einen Blick auf die Zukunft unseres eigenen Sonnensystems. Das Projekt entstand in Zusammenarbeit mit Kollegen in Heidelberg, Uppsala, Padua, Brüssel und Wien.