Staub in der Galaxis

Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

(Originalartikel unter www.cfa.harvard.edu)

Der Pferdekopf-Nebel, hier im Optischen sichtbar, wird durch die Absorption von Staubkörnern geformt, die in Wolken im interstellaren Medium verteilt sind. Zwei Astronomen haben eine statistische Auswertung der Absorptions- und Emissionseigenschaften von Staub aus umfangreichen jüngsten Beobachtungen am ganzen Himmel abgeschlossen und kamen zu neuen Schlußfolgerungen, die bei der Modellierung der Beteiligung des Staubs an vielen anderen kosmischen Phänomenen, darunter der Kontamination der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, helfen werden.
National Optical Astronomy Observatories / Travis Rector

Staub wird überall im Weltraum verteilt gefunden. Er ist aus feinen Teilchen zusammengesetzt, die aus Silikaten, wie Sand auf der Erde, oder aus Kohlenstoff bestehen und diese Teilchen sind oft mit anderen Elementen vermischt. Staub verschluckt Licht stark bei ultravioletten und sichtbaren Wellenlängen und in unserer Galaxis sind große Wolken aus Staub manchmal als dunkle Formen in Front von hellen Nebeln sichtbar, da der Staub unseren Blick auf das Licht dahinter abschwächt (der berühmte Pferdekopf-Nebel ist ein Beispiel für solch optische Abschwächungseffekte). Staubteilchen werden am Ende eines Sternenlebens, oder in Sternwinden, erzeugt und ausgestoßen. Sie sind nach dem Gas der bedeutendste Bestandteil des interstellaren Mediums, spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung neuer Sterne, bei der Unterstützung interstellarer Chemie als auch bei der Bildung zirkumstellarer Scheiben aus Material, aus dem sich Planeten formen.

Astronomen haben Jahrzehnte daran gearbeitet, die physikalischen Eigenschaften von Staubkörnern zu modellieren, nicht nur, um all die eben angesprochenen Prozesse besser zu verstehen, sondern auch, weil ihnen die Kenntnis der Größenverteilung und Zusammensetzung des Staubs erlaubt, die Auswirkung der interstellaren Extinktion auszugleichen und die Eigenschaften der Sterne, deren Licht zum Teil verdunkelt worden ist, etwa die intrinsische Helligkeit, genau zu bestimmen. Überdies hängt die Stärke der Absorption durch den interstellaren Staub von der Wellenlänge in der Form ab, daß sie dazu neigt, eintreffendes Sternlicht rot erscheinen zu lassen (beschrieben durch eine „Rötungskurve“); die Fähigkeit, intrinsische Farben der Sterne zurückzugewinnen, ist ein weiteres wichtiges Ziel von Staubmodellen. Nicht zuletzt wärmt Strahlung, die der Staub absorbiert, die Körnchen und bewirkt, daß diese die Energie im Infraroten wieder abstrahlen, sodaß diese allgegenwärtige, jedoch ungleichmäßige Strahlung einen großen Anteil an der Verunreinigung des Vordergrunds hat, die bei kosmologischen Experimenten gefunden wird, die versuchen, die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung und deren subtile, sich ändernde Verteilung am Himmel zu messen.

Im Laufe der Jahrzehnte sind viele zweckmäßige Näherungen zu den Eigenschaften des Staubs gemacht worden. Die meisten versuchen Staubextinktion mit gerade einer, oder in einigen Fällen zwei Staubeigenschaften zu modellieren. Die CfA-Astronomen Iona Zelko und Doug Finkbeiner, die an diesem langen Unternehmen beteiligt sind, haben nun eine wichtige neue Untersuchung über interstellare Staubkörner, ihre Schwankungen in Größe und Zusammensetzung und ihre Auswirkungen auf die interstellare Extinktion abgeschlossen. Die beiden Astronomen verbanden veröffentlichte Untersuchungen über die Staubextinktion in Richtung zehntausender Sterne und der durch die Planck-Himmelsdurchmusterung gesehene Infrarotstrahlung des Staubs mit einer umfassenden statistischen Auswertung der Modelle über Staubkörner. Ihre Zielsetzung war, die Verteilung von Staubkorngrößen zu ermitteln und anschließend die Form der Extinktionskurve gegen die Wellenlänge, die Menge an Staub im Vergleich zur Menge an Gas und die relativen Häufigkeiten von wichtigen Elementen (wie Silizium und Kohlenstoff) zu modellieren.

Mehrere wichtige neue Schlußfolgerungen gingen aus dieser Untersuchung hervor. Die geläufige Vermutung ist gewesen, daß die Infrarotabstrahlung und die UV- sowie optische Absorption des Staubs sich perfekt entsprechen, aber die Wissenschaftler stellen fest, daß diese Beziehung nicht fest vorgegeben ist, sondern vielmehr von der Form der Rötungskurve abhängt, die wiederum in Teilen von der Zusammensetzung bestimmt wird. Sie fanden auch in Übereinstimmung mit den Erwartungen heraus, daß im Allgemeinen eine größere Korngröße wie auch ein höherer Anteil kohlenstoffhaltigem zu silikathaltigem Material zu einem höheren Wert der Extinktion führt; sie beschreiben auch die Temperaturabhängigkeit der Steigung der Infrarotabstrahlung. Die neue statistische Untersuchung bietet mögliche Lösungen für eine Reihe von ungeklärten Rätseln an, aber mehrere Fragen verbleiben (zum Beispiel die angenommene Kugelform aller Körner) und bei ihrer weiteren Arbeit werden die Wissenschaftler eine größere Auswahl an Staubmodellen zum Vergleich einbeziehen.

Literatur:

„Implications of Grain Size Distribution and Composition for the Correlation between Dust Extinction and Emissivity“

Ioana Zelko and Doug Finkbeiner

The Astrophysical Journal 2020 (in press)

oder

arXiv:2009.11869v1 [astro-ph.GA] 24 Sep 2020