Siegel der Universität

Universität zu Köln
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Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Fachgruppe Physik

I. Physikalisches Institut

Methylchlorid im Weltall ist kein Hinweis auf außerirdisches Leben.

Eine Gruppe Wissenschaftler der Harvard University in Cambridge, MA, der Københavns Universitet in Dänemark, der Universität Bern in der Schweiz, der Universität zu Köln und anderen hat zu ersten Mal eine Organohalogenverbindung, Methylchlorid (CH3Cl), im All entdeckt. Methylchlorid, auch bekannt als Chloromethan oder Freon-40, kommt als Spurengas in der Erdatmosphäre vor, wo es durch industrielle, aber auch natürlich Prozesse erzeugt wird. Deshalb habe Astrobiologen Organohalogenverbindungen, insbesondere Methylchlorid, als einen Indikator für extraterrestrisches Leben angesehen. Die berichteten Funde in einem Sternentstehungsgebiet und in einem Kometen können aber nicht mit biotischen Prozessen in Verbindung gebracht werden, so dass Methylchlorid nicht als eindeutiger Hinweis auf extraterrestrisches Leben gesehen werden kann.

Im Rahmen des Protostellar Interferometric Line Survey, PILS, wurden mit dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA) radioastronomische Beobachtungen zwischen 329 und 362 GHz in Richtung des Sternentstehungsgebietes IRAS 16293-2422 in der ρ Ophiuchi-Molekülwolke (Sternbild Schlangenträger) gemacht. Methylchlorid wurde eindeutig anhand von Emissionslinien der beiden Isotopologe CH335Cl und CH337Cl identifiziert. Für die radioastronomische Indentifizierung von Molekülen sind üblicherweise Messungen im Labor notwendig, die etwa in der international wichtigen Cologne Database for Molecular Spectroscopy, CDMS, oder dem JPL-Katalog bereit gestellt werde.
In dem IRAS 16293-2422-Gebiet entstehen zwei Sterne mit sonnenähnlichen Massen. In früheren Publikationen, u.a. des PILS-Projektes, wurden viele organische Moleküle in diesem jungen Sternenstehungsgebiet gefunden, darunter Vorläufermoleküle von Zuckern und von Aminosäuren.

Pressemitteilungen der ESO, der Universität Bern und der Universität zu Köln.
Verknüpfungen zur CDMS, zur Laborastrophysikgruppe der Universität zu Köln, zur PILS-Internetseite, zu Atacama Large Millimeter Array, ALMA und zum Space Research & Planetary Sciences (WP) der Universität Bern.
Wissenschaftlicher Artikel: E. C. Fayolle, K. I. Öberg, J. K. Jørgensen, K. Altwegg, H. Calcutt, H. S. P. Müller, M. Rubin, M. H. D. van der Wiel, P. Bjerkeli, T. L. Bourke, A. Coutens, E. F. van Dishoeck, M. N. Drozdovskaya, R. T. Garrod, N. F. W. Ligterink, M. V. Persson, S. F. Wampfler und das ROSINA-Team, Protostellar and Cometary Detections of Organohalogens, Nature Astronomy 1 (2017), 703–708, Nature Astronomy 1 (2017), 703–708,
dazu gehöriger News & Views-Beitrag: Marcelino Agúndez, Organohalogens in Space Nature Astronomy 1 (2017), 655–656 und
Editorial: The Organic Universe, Nature Astronomy 1 (2017), 641.


Methyl Chloride in Space is no Indicator of Extraterrestrial Life.

A group of scientists from Harvard University in Cambridge, MA, Københavns Universitet in Denmark, the Universität Bern in der Switzerland, the Universität zu Köln and others has found for an organohalogen, methyl chloride (CH3Cl), for the first time in space. Methyl chloride, also known as chloromethane or Freon-40, is a trace gas in Earth's atmosphere, where it is produced by industrial as well as natural processes. For that matter, astrobiologists viewed organohalogens, and in particular methyl chloride, as a marker for extraterrestrial life. However, the detections in a starformation region and in a comet cannot be linked to biotic processes. Therefore, methyl chloride cannot be an unambiguous indicator for extraterrestrial life.

Radio-astronomical observations of the IRAS 16293-2422 star-forming region in the ρ Ophiuchi molecular cloud (constellation Ophiuchus or serpent-bearer) were carried out between 329 und 362 GHz using the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in the framework of the Protostellar Interferometric Line Survey, PILS. Methyl chloride was identified unambiguously through emission lines pertaining to both CH335Cl and CH337Cl isotopologs. The radio-astronomical identification of molecules requires usually measurements in the laboratory. The results are provided in the internationally important Cologne Database for Molecular Spectroscopy, CDMS or the JPL catalog.
Two stars of approximately Solar mass are forming in the IRAS 16293-2422 region. Several organic molecules were identified in this region in earlier publications, in part from the PILS project; among the molecules are precursors to sugars and to amino acids.

Press releases of ESO, the Harvard University, and the Universität zu Köln.
Links to the CDMS, to the Laboratory Astrophysic Group of the Universität zu Köln, to the PILS web page, to the Atacama Large Millimeter Array, ALMA, and to the Space Research & Planetary Sciences (WP) of the Universität Bern.
Scientific article: E. C. Fayolle, K. I. Öberg, J. K. Jørgensen, K. Altwegg, H. Calcutt, H. S. P. Müller, M. Rubin, M. H. D. van der Wiel, P. Bjerkeli, T. L. Bourke, A. Coutens, E. F. van Dishoeck, M. N. Drozdovskaya, R. T. Garrod, N. F. W. Ligterink, M. V. Persson, S. F. Wampfler, and the ROSINA team, Protostellar and Cometary Detections of Organohalogens, Nature Astronomy 1 (2017), 703–708,
related News & Views contribution: Marcelino Agúndez, Organohalogens in Space Nature Astronomy 1 (2017), 655–656 and
Editorial: The Organic Universe, Nature Astronomy 1 (2017), 641.

(hspm, 2017-10-04); picture credit: ESO press release 1732

 

The ideal black hole laboratory — Successful observations with GRAVITY and the ESO 8m Very Large Telescopes

A team of European astronomers has achieved a crucial milestone for testing Einstein's theory of general relativity with the closest supermassive black hole in the centre of our own galaxy. For the first time, the newly installed GRAVITY instrument has been used together with ESO's Very Large 8m Telescopes to observe a star orbiting the black hole on a period as short as 16 years. These tests have impressively demonstrated GRAVITY’s sensitivity to detect this star in just a few seconds of exposure time, which sets a record in optical interferometry by several magnitudes, and opens the door for observing Einstein’s general relativity at work around black holes. Both the target star and a reference star nearby show no signs of being binaries – making future measurements much less complex. This means that the team will be able in the near future to obtain ultra-precise positions of the orbiting star, and to test whether the motion around the black hole follows the laws of general relativity - or not. The new observations show that the Galactic Centre is as ideal a laboratory as one can hope for.

Located a mere 25000 light-years from the Solar System, in the Sagittarius constellation, the centre of the Milky Way hosts a massive black hole, 4 million times as heavy as the Sun. Its position and mass are well known since 2002, when the first complete orbit of the star S2 was recorded: Over the course of nearly 16 years, the star draws a tiny ellipse with a size of only 0.2 arcseconds on the sky. A football stadium placed on the moon would appear as large – or small – when seen from Earth. While with previous instruments the astronomers could measure the orbit accurately enough to determine the mass of the black hole, testing general relativity requires pinpointing the object with centimetre precision in the imaginary stadium on the moon.

Picture to the left: Image of the galactic centre. For the interferometric GRAVITY observations the star IRS 16C was used as a reference star, the actual target was the star S2. The position of the centre, which harbours the (invisible) black hole with 4 million solar masses, is marked by the red cross. (copyright: MPE)

The new instrument GRAVITY – developed in a collaboration by the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) and Astronomy (MPIA), LESIA of Paris Observatory and IPAG of Université Grenoble Alpes/CNRS, the University of Cologne, the Centro Multidisciplinar de Astrofísica Lisbon and Porto (SIM), and the European Southern Observatory (ESO) – is specifically designed for that purpose. It is an interferometer, i.e. it combines the light of the four 8-metre telescopes of the VLT on top of the mountain Paranal in the Chilean Atacama desert. To further improve GRAVITY's sensitivity in deeply embedded and dust enshrouded regions like the Galactic Centre, each of the 8-metre telescopes is also being equipped with a new Coudé Infrared Adaptive Optics (CIAO) system.

Combining the light interferometrically yields an effective resolution equal to that of a virtual telescope as big as 130 metres. The corresponding gain of a factor 15 in resolving power and precision over the 8-meter telescopes will open up the possibility for testing Einstein's theory in the Galactic Centre. Having built this ultra-precise machine over the course of the past decade, the team now faced two crucial questions: Will GRAVITY provide the required sensitivity for observing the faint stars orbiting the Galactic Centre? And would the Galactic Centre laboratory collaborate and offer clean “test particles” to accurately measure the effects predicted by Einstein’s theory of general relativity?

Picture to the right: The images at the top show the unresolved star S2 and the data obtained with GRAVITY (interferometric fringes) next to it. The images below are for resolved stars: several sources (middle) and an extended source (bottom). In these cases, the fringes are increasingly blurred; this case can be excluded from the data. (copyright;: MPE)

"It was a fantastic moment for the whole team when the light of the fast-orbiting star S2 interfered for the first time", says GRAVITY lead scientist Frank Eisenhauer from the Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics in Garching, Germany. "First we actively stabilized the interference on a bright nearby star, and only a few minutes later we could really see the interference from the faint star S2 – to a lot of high-fives.” On first glance neither the reference star nor the orbiting star have bright and massive companions, which would complicate the observations and analysis. "They are ideal probes", explains Eisenhauer.

Picture to the left: At its closest approach in 2018, the star S2 will pass by the black hole in a distance of only 17 light hours, being subject to extrem gravitational forces. (copyright: MPE)

But it was not only a technical challenge, but also a race against time: The rush for the GRAVITY observations is necessary because the star will pass closest to the black hole in 2018, where the sought-for relativistic effects are most pronounced. At this point the star will approach the black hole to a distance of only 17 light-hours, and will move at a speed of almost 8000 km/s, or 2.5% of the speed of light. That is a thousand times faster than the international space station ISS is orbiting Earth. In 2018, the S2 ellipse will change its orientation due to general relativity and will rotate in its plane by around 0.2°. This is orders of magnitude more than the relativistic effect affecting the orbit of Mercury, the Solar System’s innermost planet. The next opportunity after 2018 to observe the close passage of S2 around the black hole will only be in 2033.

Exciting times are ahead for black hole researchers!

Press release of the European Southern Observatory (ESO) with an animated video of the way of a photon through the VLTI and GRAVITY (at bottom of page).

 

Ideale Bedingungen für Studien am Schwarzen Loch — Erfolgreiche Beobachtungen von GRAVITY mit den 8m VLT Teleskopen der ESO

Ein Team europäischer Astronomen ist einen entscheidenden Schritt weiter um die Allgemeine Relativitätstheorie mit dem uns nächstgelegenen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße zu testen. Zum ersten Mal wurde jetzt das neu installierte GRAVITY-Instrument zusammen mit den 8-Meter VLT-Teleskopen der ESO verwendet, um einen Stern zu beobachten, der das Schwarze Loch in nur 16 Jahren einmal umkreist. Diese Tests demonstrierten eindrucksvoll die Empfindlichkeit von GRAVITY, mit dem dieser Stern in nur wenigen Sekunden Belichtungszeit nachgewiesen werden kann – ein Rekord für optische Interferometrie um mehrere Größenordnungen. Dies macht den Weg frei, Einsteins Theorie in Aktion zu sehen, direkt um ein schwarzes Loch. Sowohl das Zielobjekt als auch ein Referenzstern in der Nähe zeigen keine Hinweise darauf, Teil eines Doppelsternsystems zu sein; dies macht zukünftige Messungen viel weniger komplex. Damit wird das Team in naher Zukunft in der Lage sein, äußerst präzise Positionsmessungen des umlaufenden Stern zu erhalten, und damit zu überprüfen, ob die Bewegung um das schwarze Loch den Gesetzen der allgemeinen Relativitätstheorie folgt - oder auch nicht. Die jetzigen Beobachtungen zeigen, dass das galaktische Zentrum wie erhofft, das ideale Labor ist.

Nur 25.000 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt, im Sternbild Schütze, liegt das Zentrum der Milchstraße mit einem schwarzen Loch, das 4 Millionen mal so schwer ist wie die Sonne. Seine Existenz ist seit 2002 bekannt, als die Umlaufbahn des Sterns S2 bestimmt werden konnte: Im Laufe von 16 Jahren zieht der Stern eine winzige Ellipse am Himmel mit einer Größe von nur 0,2 Bogensekunden. Wenn man ein Fußballstadion auf dem Mond platzieren würde, schiene es ebenso so groß - oder so klein - wenn man von der Erde darauf blickt. Zwar konnten die Astronomen mit bisherigen Instrumenten die Umlaufbahn genau genug vermessen, um die Masse des Schwarzen Lochs zu bestimmen; um aber die allgemeine Relativitätstheorie zu testen muss man viel genauer messen - so genau als ob man Objekte auf dem Mond zentimetergenau im imaginären Stadion ausfindig machen muss.

linkes Bild: Bild des galaktischen Zentrums. Der Stern IRS 16C wurde als Referenzobjekt benutzt, das eigentliche Zielobjekt war der Stern S2. Die Position des Zentrums, in dem sich ein (unsichtbares) schwarzes Loch mit 4 Millionen Sonnenmassen befindet, ist durch das rote Kreuz markiert (copyright: MPE).

Das neue Instrument GRAVITY - entwickelt in einer Zusammenarbeit der Max-Planck-Institute für extraterrestrische Physik (MPE) und Astronomie (MPIA), LESIA am Observatorium von Paris und IPAG an der Université Grenoble Alpes/CNRS, der Universität zu Köln, Centro Multidisciplinar de Astrofísica Lisbon and Porto (SIM), und der Europäischen Südsternwarte (ESO) - ist speziell für diesen Zweck entwickelt worden. GRAVITY ist ein Interferometer und kombiniert das Licht der vier 8-Meter-Teleskope des VLT auf dem Gipfel des Berges Paranal in der chilenischen Atacama-Wüste. Um die Empfindlichkeit GRAVITY in dichten und vom Staub verhüllten Regionen wie dem galaktischen Zentrum weiter zu verbessern, wird außerdem jedes der 8-Meter-Teleskope mit einem neuen Coudé Infrarot Adaptive Optics (CIAO) System ausgerüstet.

Kombiniert man das Licht interferometrisch ergibt sich eine effektive Auflösung, die derjenigen eines virtuellen Teleskops mit 130 Meter Durchmesser entspricht. Daraus ergibt sich eine Verbesserung von einem Faktor 15 bei Auflösung und Präzision gegenüber den 8-Meter-Teleskopen, und dies macht es möglich Einsteins Theorie im galaktischen Zentrum zu überprüfen. Nachdem in den letzten zehn Jahren diese ultrapräzise Maschine entwickelt und gebaut wurde, stand das Team nun vor zwei entscheidenden Fragen: Wird GRAVITY die erforderliche Empfindlichkeit für die Beobachtung der schwachen Sterne um das galaktische Zentrum erreichen? Und würde das galaktische Zentrum als Labor kooperieren und saubere "Testteilchen" bieten, damit die vorhergesagten Auswirkungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie tatsächlich gemessen werden könnten?

rechtes Bild: Die beiden Bilder oben zeigen den nicht aufgelösten Stern S2 und die mit GRAVITY erhaltenen Daten daneben (interferometrische „Fringes“). Die anderen Bilder sind für aufgelöste Sterne: mehrere Sterne (Mitte) und eine ausgedehnte Quelle (unten). Hier sind die Fringes zunehmend unscharf; dieser Fall kann bei den S2-Daten ausgeschlossen werden. (copyright: MPE)

"Es war ein großartiger Moment für das ganze Team, als sich das Licht des Sterns S2 zum ersten Mal überlagerte", sagt der leitende Wissenschaftler für GRAVITY, Frank Eisenhauer vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München, Deutschland, begeistert. "Zuerst stabilisierten wir aktiv die Interferenz an einem hellen, nahe gelegenen Stern, und nur wenige Minuten später konnten wir tatsächlich die Interferenz des schwachen Sterns S2 sehen – wir haben es geschafft!" Auf den ersten Blick zeigen weder der Referenzstern noch S2 helle und massereiche Begleiter, die Beobachtung und Analyse erschweren würden. "Es sind ideale Probekörper", erklärt Eisenhauer.

linkes Bild: Bei seinem nächsten Vorbeiflug am Schwarzen Loch wird der Stern S2 nur 17 Lichtstunden entfernt sein und extremer Schwerkraft ausgesetzt. (copyright: MPE)

Es war aber nicht nur eine technische Meisterleistung, sondern auch ein Wettlauf gegen die Zeit: Die GRAVITY-Beobachtungen sind dringend jetzt notwendig, weil der Stern dem Schwarzen Loch 2018 am nächsten kommen wird, wo die gesuchten relativistischen Effekte am stärksten ausgeprägt sind. An diesem Punkt wird sich der Stern dem schwarzen Loch auf eine Entfernung von nur 17 Lichtstunden nähern, und mit einer Geschwindigkeit von fast 8000 km/s oder 2,5% der Lichtgeschwindigkeit daran vorbei sausen. Das ist tausendmal schneller als die internationale Raumstation ISS die Erde umkreist. Im Jahr 2018 wird die S2-Ellipse ihre Orientierung aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie ändern und sich in ihrer Ebene um etwa 0,2° drehen. Dieser relativistische Effekt ist um viele Größenordnungen stärker als etwa bei der Umlaufbahn des Merkur, des innersten Planeten im Sonnensystem. Die nächste Gelegenheit nach 2018, einen nahen Vorbeiflug von S2 um das schwarze Loch zu beobachten, wird erst 2033 sein.

Aufregende Zeiten warten auf Forscher am schwarzen Loch!

Pressemitteilung der Europäischen Südsternwarte (ESO) mit animiertem Video des Wegs eines Photons durch das VLTI und GRAVITY (ganz unten auf der Seite).

 

First Light For Future Black Hole Probe — Successful commissioning of GRAVITY at the VLTI

Zooming in on black holes is the main mission for the newly installed instrument GRAVITY at ESO’s Very Large Telescope in Chile. During its first observations, GRAVITY successfully combined starlight using all four Auxiliary Telescopes. The large team of European astronomers and engineers, led by the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Garching, who designed and built GRAVITY, are thrilled with the performance. During these initial tests, the instrument has already achieved a number of notable firsts. This is the most powerful VLT Interferometer instrument yet installed.

The GRAVITY instrument combines the light from multiple telescopes to form a virtual telescope up to 200 metres across, using a technique called interferometry. This enables the astronomers to detect much finer detail in astronomical objects than is possible with a single telescope.

Since the summer of 2015, an international team of astronomers and engineers led by Frank Eisenhauer (MPE, Garching, Germany) has been installing the instrument in specially adapted tunnels under the Very Large Telescope at ESO’s Paranal Observatory in northern Chile. This is the first stage of commissioning GRAVITY within the Very Large Telescope Interferometer (VLTI). A crucial milestone has now been reached: for the first time, the instrument successfully combined starlight from the four VLT Auxiliary Telescopes.

“During its first light, and for the first time in the history of long baseline interferometry in optical astronomy, GRAVITY could make exposures of several minutes, more than a hundred times longer than previously possible,” commented Frank Eisenhauer. “GRAVITY will open optical interferometry to observations of much fainter objects, and push the sensitivity and accuracy of high angular resolution astronomy to new limits, far beyond what is currently possible.”

As part of the first observations the team looked closely at the bright, young stars known as the Trapezium Cluster, located in the heart of the Orion star-forming region. Already, from these first commissioning data, GRAVITY made a small discovery: one of the components of the cluster was found to be a double star (copyright of image ESO/GRAVITY consortium/NASA/ESA).

The key to this success was to stabilise the virtual telescope for long enough, using the light of a reference star, so that a deep exposure on a second, much fainter object becomes feasible. Furthermore, the astronomers also succeeded in stabilising the light from four telescopes simultaneously — a feat not achieved before.

GRAVITY can measure the positions of astronomical objects on the finest scales and can also perform interferometric imaging and spectroscopy. If there were buildings on the moon, GRAVITY would be able to spot them. Such extremely high resolution imaging has many applications, but the main focus in the future will be studying the environments around black holes.

In particular, GRAVITY will probe what happens in the extremely strong gravitational field close to the event horizon of the supermassive black hole at the centre of the Milky Way — which explains the choice of the name of the instrument. This is a region where behaviour is dominated by Einstein's theory of general relativity. In addition, it will uncover the details of mass accretion and jets — processes that occur both around newborn stars (young stellar objects) and in the regions around the supermassive black holes at the centres of other galaxies. It will also excel at probing the motions of binary stars, exoplanets and young stellar discs, and in imaging the surfaces of stars.

The hardware contribution of the Cologne institute was the development and construction of the two spectrometers of GRAVITY. The spectrometers analyse the wavelength of the observed starlight and convert the photons into electronic signals.

So far, GRAVITY has been tested with the four 1.8-metre Auxiliary Telescopes. The first observations using GRAVITY with the four 8-metre VLT Unit Telescopes are planned for later in 2016.

The GRAVITY consortium is led by the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, in Garching, Germany. The other partner institutes are (copyright of image MPE):

  • LESIA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, Univ. Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité, Meudon, France
  • Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany
  • 1. Physikalisches Institut, University of Cologne, Cologne, Germany
  • IPAG, Université Grenoble Alpes/CNRS, Grenoble, France
  • Centro Multidisciplinar de Astrofísica, CENTRA (SIM), Lisbon and Oporto, Portugal
  • ESO, Garching, Germany

Erstes Licht für Instrument zur zukünftigen Beobachtung Schwarzer Löcher — Erfolgreiche Inbetriebnahme von GRAVITY am VLTI

Am Very Large Telescope der ESO in Chile wurde ein neues Instrument in Betrieb genommen, dessen Hauptaufgabe es sein wird, Schwarze Löcher zu untersuchen. Entworfen und gebaut wurde GRAVITY von einem großen Team aus europäischen Astronomen und Ingenieuren, zu dem auch Wissenschaftler aus Heidelberg, Köln und Garching gehören. Geleitet wird das Projekt vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching. GRAVITYs Leistungsfähigkeit sorgt durchweg für große Begeisterung im Team. Während der ersten Beobachtungen gelang es GRAVITY bereits, das Sternlicht von allen vier VLT-Hilfsteleskopen zu bündeln. Während der ersten Tests konnte das Instrument bereits mehrere Premieren feiern. GRAVITY ist das leistungsstärkste Instrument für das VLT-Interferometer, das bisher montiert wurde.

Um ein virtuelles Teleskop mit bis zu 200 Metern Durchmesser zu bilden, kombiniert das GRAVITY-Instrument über Interferometrie das Licht von mehreren Teleskopen. Diese Technik ermöglicht es Astronomen, viel feinere Details in astronomischen Objekten zu erkennen als es mit einem einzigen Teleskop möglich wäre.

Seit dem Sommer 2015 hat ein internationales Team aus Astronomen und Ingenieuren unter der Leitung von Frank Eisenhauer (MPE, Garching) das Instrument in speziell angepassten Tunneln unter dem Very Large Telescope der ESO am Paranal-Observatorium im Norden Chiles montiert. Dies stellt die erste Phase der Inbetriebnahme von GRAVITY im Rahmen des Very Large Telescope Interferometer (VLTI) dar. Ein entscheidender Meilenstein wurde jetzt erreicht: Zum ersten Mal hat  das Instrument erfolgreich das Sternlicht von den vier VLT-Hilfsteleskopen vereint (copyright of image ESO/GRAVITY consortium/NASA/ESA).

„Bereits bei den ersten Beobachtungen, und zum allerersten Mal in der Geschichte der optischen Interferometrie, konnte GRAVITY Aufnahmen mit mehreren Minuten Belichtungszeit machen, also mehr als hundert Mal länger als es vorher möglich war“, erläutert Frank Eisenhauer. „GRAVITY wird zukünftig die Beobachtung von deutlich lichtschwächeren Objekten erlauben, und verschiebt die Grenzen der Empfindlichkeit und Genauigkeit der hochauflösenden Astronomie weit über das hinaus, was derzeit möglich ist."

Im Rahmen der ersten Beobachtungen nahm das Team die hellen, jungen Sterne unter die Lupe, die als Trapez bekannt sind und sich im Herzen der Sternentstehungsregion Orion befinden. Bereits in den ersten Daten der Inbetriebnahme machte GRAVITY eine kleine Entdeckung: Eine der Komponenten des Sternhaufens stellte sich als Doppelstern heraus.

Der Schlüssel zu diesem Erfolg bestand darin, mit dem Licht eines Vergleichssterns das virtuelle Teleskop lange genug zu stabilisieren, so dass eine tiefe Aufnahme eines zweiten, deutlich lichtschwächeren Objekts möglich wird. Desweiteren gelang es den Astronomen auch, das Licht der vier Teleskope zeitgleich zu stabilisieren – ein Kunststück, das so bisher noch nie gelungen ist.

GRAVITY kann sowohl die Positionen astronomischer Objekte auf das Genauste vermessen als auch interferometrische Bildgebung und Spektroskopie durchführen. Befänden sich Gebäude auf dem Mond, würde GRAVITY sie erkennen. Solch extrem hochauflösende Bildgebung besitzt viele Anwendungsmöglichkeiten, aber der Hauptfokus wird in der Zukunft in der Untersuchung der Umgebung Schwarzer Löcher liegen.

Insbesondere wird GRAVITY untersuchen, was in dem extrem starken Gravitationsfeld nahe des Ereignishorizonts des massereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße passiert – was den Namen des Instruments erklärt. In dieser Region wird das physikalische Verhalten von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie beherrscht. Außerdem soll es Details des Massenzuwachses und Jets erkennen – Prozesse, die beide in der Nähe neugeborener Sterne (junger stellare Objekte) und in Regionen um massereiche Schwarze Löcher in den Zentren anderer Galaxien auftreten. Überragen wird es alles je dagewesene auch bei der Untersuchung der Bewegungen von Doppelsternen, Exoplaneten und jungen stellaren Scheiben, sowie bei Aufnahmen von Sternoberflächen.

Der Hardware-Beitrag des Kölner Instituts war die Entwicklung und der Bau der beiden Spektrometer von GRAVITY. Die Spektrometer analysieren die Wellenlänge des beobachteten Sternenlichts und wandeln die empfangenen Photonen in elektronische Signale um.

Bislang ist GRAVITY mit den vier 1,8-Meter-Hilfsteleskopen getestet worden. Die ersten Beobachtungen mit GRAVITY mit den vier 8-Meter-Hauptteleskopen des VLT sind im Verlauf des Jahres 2016 geplant.

Die GRAVITY-Arbeitsgemeinschaft steht unter der Führung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching. Die anderen Partner-Institute sind (Bild copyright MPE):

  • LESIA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, Univ. Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité, Meudon, Frankreich
  • Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg
  • I. Physikalisches Institut der Universität Köln
  • IPAG, Université Grenoble Alpes/CNRS, Frankreich
  • Centro Multidisciplinar de Astrofísica, CENTRA (SIM), Lissabon und Porto, Portugal
  • ESO Garching

Extragalaktische Entdeckung von Argonium mit ALMA

Argonium, ArH+, wurde mit dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA) erstmalig in einer Galaxie außerhalb der Michstraße entdeckt. Es handelt sich dabei um die Vordergrundgalaxie mit Rotverschiebung 0,89 in Richtung des Quasars PKS 1830–211. Bei dieser Rotverschiebung blicken wir etwa 7,5 Milliarden Jahre zurück. Der Quasar dient als "Lichtquelle" für Absorptionsspektroskopie an der Vordergrundgalaxie, die das Licht des Quasars bündelt und mehrere Abbilder schafft. In den beiden hellsten Abbildern im Submillimeterbereich wurden beide interstellar wichtigen Isotopologe 36ArH+ und 38ArH+ entdeckt, und zwar in einem Verhältnis von 3,46 ± 0,16 in dem stärkeren und 4,53 ± 0,33 in dem schwächeren Abbild. Diese Verhältnisse unterscheiden sich vom Verhältnis 5,50 ± 0,01 in der Umgebung der Sonne und deuten darauf hin, dass sehr massereiche Supernovae im frühen Universum eine größere Rolle bei der Erzeugung von Elementen schwerer als Helium ("Metalle" bei den Astronomen) gespielt haben als heute, was man erwartet. Das Isotopolog 40ArH+ wurde nicht entdeckt, da 40Ar interstellar im Vergleich zu den beiden anderen Isotopen fast vernachlässigbar ist. Auf der Erde ist allerdings 40Ar das häufigste Argonisotop. Es entstand (und entsteht) durch den radioaktiven Zerfall von 40K.

Argonium wurde erst kürzlich als weit verbreitetes Molekül in der Milchstraße entdeckt. Es wurde als das Molekül bezeichnet, das Molekülwolken meidet, weil es nur im sehr diffusen interstellaren Medium vorkommt, für dieses ist es aber ein sehr guter Indikator.

H. S. P. Müller, S. Muller, P. Schilke, et al., Detection of Extragalactic Argonium, ArH+, toward PKS 1830–211, Astron. Astrophys. 582 (2015) Art.-Nr. L4.


Extragalactic Detection of Argonium with ALMA

Argonium, ArH+, was detected for the first time outside of Milkyway using the Atacama Large Millimeter Array (ALMA). The source is a foreground galaxy with redshift 0.89 toward the quasar PKS 1830–211. The look-back time at this redshift is about 7.5 billion years. The quasar illuminates the foreground galaxy for absorption spectroscopic studies. The foreground galaxy lenses the radiation of the quasar creating several images of the quasar. The two interstellar important isotopologs 36ArH+ and 38ArH+ were detected in the two most intense images in the submillimeter region. The isotopic ratio was 3.46 ± 0.16 in the stronger and 4.53 ± 0.33 in the weaker image. The ratios differ from 5.50 ± 0.01 in the Solar neighborhood, indicating that high-mass supernovae played a more pronounced role in generating elements heavier than helium (called "metals" by astronomers) in the early Universe compared to today, as may be expected. The isotopolog 40ArH+ was not detected, because 40Ar is almost negligible in comparison to the other two isotopes. On Earth, however, 40Ar is the most abundant argon isotope. It is a product of the radioactive decay of 40K.

Argonium was only recently detected as a ubiquitous molecule in our Galaxy. It was called the molecule which avoids molecular clous because it occurs only in the very diffuse interstellar medium, for which it is an excellent tracer.

H. S. P. Müller, S. Muller, P. Schilke, et al., Detection of Extragalactic Argonium, ArH+, toward PKS 1830–211, Astron. Astrophys. 582 (2015) Art. No. L4.

(hspm, 2015-10-07)

Interstellare Moleküle verzweigen sich

Eine Gruppe Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, von der Universität zu Köln und von der Cornell University in Ithaca, NY, USA haben das erste Molekül mit verzweigtem Kohlenstoffgerüst im All entdeckt. Die Wissenschaftler führten eine Liniendurchmusterung von Sagittarius (kurz: Sgr) B2(N) bei 3 mm Wellenlänge mit dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in Chile durch. Dabei fanden sie erstmalig iso-Propylcyanid. Diese Entdeckung, so wie eigene Modellrechnungen deuten darauf hin, dass verzweigte Moleküle recht gewöhlich im All sein könnten. Möglicherweise lassen sich bald noch komplexere Moleküle, wie z.B. Aminosäuren, finden, die bei der Enstehung des Lebens auf der Erde, und vielleicht auch anderswo, eine wichtige Rolle gespielt haben könnten.

Sgr B2(N) ist eine riesige Molekülwolke in der Nähe des Zentrums der Milchstraße, in der viele massereiche Sterne entstehen und in der viele Moleküle entdeckt wurden. Die Gruppe entdecke bereits früher das Isomer n-Propylcyanid, Ethylformiat und Aminoacetonitril. Letzteres könnte als Vorläufer für Glycin, der einfachsten Aminosäure, dienen.

Highlights der Laborspektroskopiegruppe.
Pressemitteilungen des MPIfR in Bonn und der Universität zu Köln.
A. Belloche, R. T. Garrod, H. S. P. Müller und K. M. Menten, Detection of a Branched Alkyl Molecule in the Interstellar Medium: iso-Propyl Cyanide, Science 345 (2014) 1584–1587.


Interstellar Molecules are branching out

A group of scientists from the Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, from the Universität zu Köln, and from the Cornell University in Ithaca, NY, USA have detected in space the first molecule with a branched carbon backbone. The scientists carried out a line survey of Sagittarius (short: Sgr) B2(N) at 3 mm wavelength employing the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in Chile. They detected for the first time iso-propyl cyanide. This detection as wel as own model calculations suggest that branched molecules could be quite common in space. It may well be that even more complex molecules, such as aamino acids, will be detected in space. These molecules may have played a prominent role for the formation of life on Earth and possibly elsewhere.

Sgr B2(N) is giant molecular cloud close to the center of Milkyway, in which many high-mass stars are being formed and in which many molecules have been detected. The group detected previously the isomer n-propyl cyanide, ethyl formate and aminoacetonitril. The latter could act as a precursor for glycine, the simplest amino acid.

Highlights of the laboratory spectroscopy group.
Press release of the MPIfR in Bonn.
A. Belloche, R. T. Garrod, H. S. P. Müller, and K. M. Menten, Detection of a Branched Alkyl Molecule in the Interstellar Medium: iso-Propyl Cyanide, Science 345 (2014) 1584–1587.

(hspm, 2014-10-06)

Ubiquitous argonium (ArH+) in the diffuse ISM (P. Schilke et al.)

A molecular tracer of almost pure atomic gas

In section 6. Interstellar and circumstellar matter

by P. Schilke, D. A. Neufeld, H. S. P. Müller, et al., A&A 566, A29

It is not entirely unexpected to find that a molecular ion is a tracer for diffuse atomic ISM clouds. It has been known for some time that ions such as HCO+ observed in absorption against the background of point-like radio sources trace low-density, mainly atomic material. More recently, ions such as H2O+ have been detected with Herschel. Nevertheless, it is a surprise to find that argonium (ArH+) can be detected not only in the Crab nebula but also (as shown in the article by Schilke et al.) in clouds along the line of sight to various strong submm sources in the Galactic plane. It is also surprising to find that, based on the diffuse cloud chemistry models, ArH+ likes to live in clouds with a molecular fraction 2n(H2)/n(HI) of approximately 10–3. All molecules are not alike !

The article was marked as Highlight of the week by Astron. Astrophys.