Was sind Lichtechos? Verwenden von Lichtreflexionen, um noch weiter in die Vergangenheit zu sehen
Wenn wir nach außen in den Weltraum blicken, blicken wir in der Zeit zurück. Das liegt daran, dass sich Licht mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Es braucht Zeit, bis das Licht uns erreicht.
Aber es wird noch seltsamer. Licht kann von Gas und Staub absorbiert, reflektiert und wieder emittiert werden, was uns einen zweiten Blick ermöglicht.
Sie werden Lichtechos genannt und ermöglichen Astronomen eine andere Möglichkeit, das Universum um uns herum zu verstehen.
Wir alle kennen die Idee eines Echos. Klänge wandern durch die Luft, werden dann von einem entfernten Objekt reflektiert und kehren zurück. Sie hören den Originalton und dann den reflektierten Ton. Und aus dieser Reflexion erfahren Sie mehr über die spiegelnde Oberfläche. Ist es nah oder fern? Woraus besteht es?
Das liegt daran, dass sich der Schall mit einer Geschwindigkeit von etwa 343 Metern pro Sekunde bewegt. Licht hingegen bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von fast 300.000 km/s. Zu schnell für Ihre Augen, um die Reflexion zu sehen, aber draußen im Weltraum, wo Objekte viele Lichtjahre groß sein können, können Astronomen Lichtkugeln sehen, die sich durch Gas- und Staubwolken bewegen, Echos von starken Flares und Supernovae.
Das beste Beispiel für ein Lichtecho ist Radar, das verwendet wird, um Funksignale von Objekten abzuprallen, um sie zu kartieren. Ein Radar besteht aus einem Sender, um die Signale zu senden, und einem Empfänger, um sie wieder einzufangen.
Da Sie wissen, wie schnell sich Licht bewegt, können Sie erkennen, wie Ihr Funkimpuls von Objekten abprallt, und dann herausfinden, wie weit alles von Ihnen entfernt ist.
Hier auf der Erde werden sie von Booten und Flugzeugen zur Navigation und zur Wetterverfolgung verwendet.
Ein Radar-Rotations-.gif des „Felskometen“ 3200 Phaethon vom Dezember 2017. Quelle: NASA/NSF/Arecibo
Aber Astronomen verwenden Radar, um die Entfernungen zu Planeten zu bestimmen und die Oberflächen von Asteroiden zu kartieren. Zum Beispiel, wenn die Asteroid 3200 Phaethon sich der Erde im Dezember 2017 am nächsten genähert hat, hat das Radioobservatorium Arecibo diese Bilder seiner Oberfläche aufgenommen.
Radiowellen sind die perfekte Form elektromagnetischer Strahlung, um Reflexionen zu erkennen. Wenn Licht von einem entfernten Objekt abprallt, ist es bereits sehr schwach und muss dann zurückkehren, wodurch es noch schwächer wird.
Lunar Laser Ranging Experiment auf der Mondoberfläche, das von Astronomen verwendet wird, um die Entfernung zum Mond zu berechnen. Bildnachweis: NASA
Aber auch Laser wurden verwendet, um die Entfernung zum Mond zu messen. Als die Astronauten während der Apollo-Missionen auf dem Mond landeten, platzierten sie spezielle Retroreflektoren auf der Oberfläche . Wissenschaftler auf der Erde können einen leistungsstarken Laser auf den Mond schießen und das reflektierte Licht bei seiner Rückkehr erkennen.
Wenn sie die Geschwindigkeit des Lichts kennen, können sie wiederum die Entfernung zum Mond berechnen, indem sie sehen, wie lange es dauert, bis das reflektierte Laserlicht zur Erde zurückkehrt.
Aber um das reflektierte Licht wirklich zu nutzen, müssen Sie viel heller gehen. Zum Beispiel die Energieabgabe eines neu entstehenden Sterns und eines explodierenden Sterns oder die aktive Nahrungsaufnahme eines supermassereichen Schwarzen Lochs.
Die Natur setzt ständig elektromagnetische Strahlung in Form von sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung und sogar Radiowellen frei. Und Astronomen haben Wege gefunden, das reflektierte Licht zu sehen, um Entdeckungen über das Universum zu machen.
V838 Mo (Credit: NASA, European Space Agency und Howard Bond (STScI))
Ein Bild, das Ihnen vielleicht bekannt ist, ist der Stern V838 Monocerotis , etwa 20.000 Lichtjahre entfernt. Astronomen versuchen immer noch herauszufinden, warum, aber aus irgendeinem Grund dehnte sich 2002 die äußere Schicht des roten Überriesen stark aus und machte ihn zum hellsten Stern in der gesamten Milchstraße – er überstrahlte die Sonne um den Faktor 600.000. Es war, als würde in einem abgedunkelten Raum plötzlich eine Blitzlampe losgehen.
Es war keine Nova, bei der sich Material auf der Oberfläche eines Weißen Zwergs anhäuft. Und es war keine Supernova, bei der ein massiver Stern am Ende seines Lebens detoniert. Es war etwas anderes.
So schnell wie V838 heller wurde, verblasste es. Aber die Nachwirkung dieses Blitzes ist fast zwei Jahrzehnte nach dem Ereignis sichtbar.
Acht Aufnahmen des Sterns V838 Mon von Hubble. Bildnachweis: ESA/Hubble/NASA
Sehen Sie sich diese Animation an, bestehend aus separate Beobachtungen von V838 über mehrere Jahre. Dies ist keine Explosion, es ist das Licht, das sich in einer Kugel durch das interstellare Gas und den Staub bewegt, der den Stern umgibt. Beim Durchdringen von Staub wird es zerstreut und braucht eine längere Reise, um zur Erde zu gelangen.
Dieses Lichtecho ermöglichte es Astronomen, die Natur des Staubs zu studieren, der vor langer Zeit vom Stern hätte abgeworfen werden können, aber für Astronomen ohne diese vom Stern bereitgestellte Taschenlampe nicht sichtbar war.
Astronomen haben Lichtechos verwendet, um die Entstehung von Planeten studieren um einen jungen Stern. In diesem Fall wurden das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA und vier bodengestützte Observatorien verwendet, um die Größe der Lücke um einen neu entstehenden Stern zu seiner protoplanetaren Scheibe zu messen.
Künstlerische Illustration einer protoplanetaren Scheibe um einen neu entstehenden Stern. Flares beleuchten den Rand der Scheibe und ermöglichen es Astronomen, ihre Größe zu berechnen. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Der Stern heißt YLW 16B und befindet sich etwa 400 Lichtjahre von der Erde entfernt. Sie hat ungefähr die gleiche Masse wie die Sonne, ist aber nur 1 Million Jahre alt – nur ein Baby.
Selbst in diesen leistungsstarken Observatorien ist die protoplanetare Lücke zu klein, um direkt gemessen zu werden. Stattdessen verwendeten sie Lichtechos, um die Größe zu ermitteln.
Junge Sterne haben eine variable Helligkeit und ändern die Lichtmenge, die sie von Tag zu Tag abgeben. Material wirbelt aus der protoplanetaren Scheibe heraus, verfängt sich in den magnetischen Feldlinien des Sterns und fällt dann auf den Stern herunter und beleuchtet ihn.
Wenn sich die Helligkeit des Sterns ändert, trifft ein Teil dieses zusätzlichen Lichts auf die Planetenscheibe und erzeugt ein Echo, das Astronomen erkennen können.
Da sie wissen, wie schnell das Licht ist, konnten sie berechnen, wie lange es dauerte, bis die Aufhellung die Scheibe erreichte, und wie groß die Lücke ist.
Das Licht braucht 74 Sekunden, um die Lücke zu erreichen, was bedeutet, dass es 0,08 astronomische Einheiten oder 12 Millionen Kilometer vom Stern entfernt ist. Nur zum Vergleich: Die Entfernung von der Sonne zum Merkur beträgt etwa 60 Millionen Kilometer.
Ein weiteres Beispiel für Lichtechos in der Astronomie wurde kürzlich verwendet, um die Umgebung um ein Schwarzes Loch mit stellarer Masse zu untersuchen.
Dieses Bild zeigt die Konfiguration der 56 Röntgenspiegel von NICER, die wissenschaftliche Beobachtungen sammeln und eine maßgebliche Rolle bei der Demonstration der Röntgennavigation spielen werden. Credits: NASA
Astronomen verwendeten die Nutzlast des Neutron Star Interior Composition Explorer (oder NICER) an Bord der Internationalen Raumstation. Dieses Instrument konnte die Röntgenemissionen erkennen aus einem neu entdeckten Schwarzen Loch namens J1820, das sich von einem Begleitstern ernährte.
Das Schwarze Loch befindet sich etwa 10.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Löwe und wurde erstmals von der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA entdeckt.
Am 11. März 2018 flackerte das Schwarze Loch plötzlich auf und wurde zu einem der hellsten Objekte am Röntgenhimmel. Natürlich war es nicht das Schwarze Loch selbst, das aufflammte, sondern die Akkretionsscheibe, die das Schwarze Loch umgibt, das aus Material besteht, das von seinem Begleitstern gestohlen wurde.
Dieses Material wirbelt herum, erhitzt durch den starken Druck und Magnetismus der Umgebung erzeugt Röntgenstrahlung. Es ist von einer Korona umgeben, einer Region aus subatomaren Partikeln mit einer Temperatur von 1 Milliarde Grad Celsius.
Eine Instabilität der Scheibe kann einen Kollaps verursachen, wie eine Lawine, die einen Berg hinunterfällt und einen Strahlungsausbruch freisetzt.
Diese Innenkante der Akkretionsscheibe wollten die Astronomen untersuchen. Wieder einmal haben Sie eine Beleuchtungsquelle, das Flare, das durch einen Scheibenkollaps verursacht wird. Dadurch werden Röntgenstrahlen direkt in alle Richtungen freigesetzt, aber auch Röntgenstrahlen durchdringen die Scheibe und werden mit unterschiedlichen Wellenlängen und Intensitäten auf uns zurückgeworfen.
Astronomen konnten feststellen, dass sich die Lücke zwischen dem Schwarzen Loch und seiner Akkretionsscheibe während eines dieser Flare-Ereignisse nicht zu verschieben scheint, aber die umgebende Korona ändert sich dramatisch und schrumpft von 160 km auf 16 km.
Im Januar 2014 entdeckten Astronomen eine Marke neue Supernova in der Galaxie M82 . Dies war eine Supernova vom Typ 1a, bekannt als SN 2014J, bei der ein Weißer Zwerg Material von einem Begleitstern stiehlt. Wenn es auf die 1,4-fache Sonnenmasse trifft, explodiert es – deutlich sichtbar aus Millionen von Lichtjahren entfernt.
Mit nur 11 Millionen Lichtjahren Entfernung war dies die nächste Typ-1a-Supernova, die Astronomen seit 40 Jahren gesehen hatten, und es war die perfekte Gelegenheit, mit dem Hubble-Weltraumteleskop zu studieren.
Lichtechos einer Supernova-Explosion in der Galaxie M82. Bildnachweis: NASA/ESA/Hubble
Hubble beobachtete die Region 10 Monate nach dem Auslösen der Supernova und dann noch einmal zwei Jahre später. Und Sie können deutlich die Strahlung der Explosion sehen, die sich durch das umgebende Material bewegt und es mit Lichtgeschwindigkeit beleuchtet.
Astronomen schätzen, dass sich diese Gas- und Staubregion etwa 300 bis 1.600 Lichtjahre um den toten Stern erstreckt und ein Lichtjahr pro Jahr durch das reflektierte Licht der Supernova-Explosion beleuchtet wird.
Tatsächlich haben Astronomen dies mehr als 15 Mal beobachtet, aber dies war die nächste und damit die höchste Auflösung, die sie jemals sehen konnten.
Verschmelzende Galaxien ShaSS 073/622. Quelle: ESO / Merluzzi et al.
Gehen wir größer. Dies ist ein Bild einer Kollision zwischen Galaxien im Prozess der Verschmelzung. Die größere Galaxie ShaSS 073 hat in ihrem Kern ein aktiv nährendes supermassereiches Schwarzes Loch, das sie unglaublich hell macht. Die weniger massereiche Galaxie heißt ShaSS 622.
Strahlung strömt aus der Akkretionsscheibe um das supermassive Schwarze Loch herum und bombardiert die kleinere Galaxie, wodurch sie glüht, während sie das Licht absorbiert und dann wieder emittiert. Es ist ein winziger Fleck in diesem Bild, aber es ist 1,8 Milliarden Quadratlichtjahre im Weltraum.
Aber hier ist der seltsame Teil. Laut ihren Berechnungen stellten Astronomen fest, dass die Strahlung nicht ausreicht, um es so hell leuchten zu lassen. Stattdessen ereignete sich das Aufflackern 30.000 Jahre zuvor, als der Galaxienkern viel heller war und sie jetzt das reflektierte Licht sehen.
Die Tatsache, dass sich Licht mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, ist für die Erforschung des Universums sehr hilfreich, selbst wenn es widerhallt.