Sterne mit Gravitationslinsen wiegen

Sterne mit Gravitationslinsen wiegen

Mit Daten des Astrometrie-Satelliten Gaia haben Astronomen der Universität Heidelberg die Bewegung von Millionen von Sternen in der Milchstraße analysiert. Die Wissenschaftler konnten erstmals mit höchster Präzision gegenseitige Sternbegegnungen vorhersagen. Dabei treten charakteristische Effekte einer sogenannten relativistischen Lichtablenkung auf. Forscher können sie zur genauen Messung der Masse von Sternen nutzen.

„Die Sterne der Milchstraße stehen nicht still, sondern bewegen sich relativ zueinander wie Mücken im Schwarm“, erläutert Prof. Dr. Joachim Wambsganß, Direktor des Astronomischen Rechen-Instituts (ARI), das zum Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) gehört. „Daher kommt es hin und wieder vor, dass sich – von der Erde aus gesehen – ein Vordergrundstern dicht an einem Stern im Hintergrund vorbei bewegt. Lichtstrahlen, die vom Hintergrundstern ausgehend auf dem Weg zu uns den Vordergrundstern passieren, werden dabei durch dessen Gravitationsfeld um einen winzigen Betrag aus seiner Richtung abgelenkt.“

Durch diesen „astrometrischen Gravitationslinseneffekt“ ändert sich die Position des Sterns am Himmel um einen winzigen, aber messbaren Betrag. Aus dieser Verschiebung und der relativen Position der sich begegnenden Sterne lässt sich die Masse des Vordergrundsterns ableiten.

„Diese Methode der Massenbestimmung ist auf wenige Prozent genau. Schwierig war bislang jedoch die Vorhersage, für welches Sternenpaar sich zu welchem Zeitpunkt eine günstige Begegnung ergibt, denn hierzu muss man die sogenannte Eigenbewegung von Sternen am Firmament mit höchster Präzision kennen“, betont Prof. Wambsganß.

Bewegung von rund 1,5 Milliarden Sternen gemessen

Die erforderliche Genauigkeit lieferte jüngst der Astrometrie-Satellit Gaia. Seit bereits rund vier Jahren misst er die Position und Eigenbewegung von rund 1,5 Milliarden Sternen. Die Wissenschaftler veröffentlichten den umfangreichen Datensatz im April dieses Jahres.

Diese Daten nutzten die Heidelberger Forscher, um in den riesigen Datenmengen genau nach solchen günstigen Sternbegegnungen zu fahnden. Die Ereignisse sollten dabei nicht in ferner Zukunft, sondern innerhalb der nächsten 50 Jahre beobachtbar sein. Über diesen Zeitraum ermöglicht Gaia zuverlässige Vorhersagen. Übrig blieben nach der umfangreichen Auswertung rund 70.000 Kandidaten – wobei nicht für alle eine messbare Verschiebung zu erwarten ist. Für zwei Sterne konnten die Wissenschaftler einen messbaren Effekt voraussagen.

Die beiden Sterne bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von rund 1.600 beziehungsweise 1.400 Millibogensekunden pro Jahr über die Himmelssphäre. Die Sterne haben sich den Hintergrundsternen bereits Anfang Juli und Anfang August diesen Jahres angenähert. Durch den Gravitationslinseneffekt führt das zu einer Verschiebung der Position der Hintergrundsterne um 1,7 beziehungsweise 0,8 Millibogensekunden.

Diese Veränderung ist ausschließlich mit den besten Teleskopen von der Erde aus messbar. Dank der Beobachtung können die Forscher durch die Messung der Positionsveränderung erstmals die Massen zweier Sternen mithilfe des Graviationslinseneffekts bestimmen.

Bild: Künstlerische Darstellung des Gaia-Satelliten mit der Milchstraße im Hintergrund / Quelle: ESA/ATG medialab; Hintergrundbild: ESO/S. Brunier