Lichtkrümmung als Sternenwaage

Samir Salim und Andrew Gould von der Ohio State University in Columbus suchten erstmals 2000 systematisch nach geeigneten Kandidaten. Sie fanden 32 bis zum Jahr 2015. Keiner wurde gemessen. Dank des 2013 gestarteten Astrometrie-Satelliten Gaia stehen Astronomen nun aber eine Fülle von Präzisionsdaten zur Verfügung. Auf dieser Basis wurden seit 2018 insgesamt rund 7200 Mikrolinsen-Ereignisse mit Lichtablenkungen von mindestens 0,1 Millibogensekunden in diesem Jahrhundert prognostiziert. Besonders fündig waren Wissenschaftler vom Astronomischen Rechen-Institut (ARI) der Universität Heidelberg: Ulrich Bastian, Markus Demleitner, Jonas Klüter und Joachim Wambsganss. Auch Daniel M. Bramich und Martin B. Nielsen von der New York University in Abu Dhabi identifizierten zahlreiche Kandidaten.

Bereits 2018 gab es zwei vielversprechende Ereignisse bei den Sternen Luyten 143-23 und Ross 322. „Wir wollten beide Ereignisse beobachten, und für Luyten 143-23 erhielten wir auch Messzeit am Very Large Telescope in Chile. Aufgrund von technischen Problemen haben diese Beobachtungen leider nicht geklappt“, bedauert es Klüter. „Soweit ich weiß, wurden die Ereignisse auch nicht von anderen Teams beobachtet. Es besteht aber die Möglichkeit, dass die Lichtablenkung mit Gaia gemessen wurde. Die Daten dazu werden allerdings nicht vor Ende 2025 veröffentlicht.“

Mit dem Mikrogravitationslinsen-Effekt kam es zu einer bemerkenswerten Umkehrung: Zunächst war die Lichtablenkung die Nagelprobe für die Allgemeine Relativitätstheorie. Astronomen haben diese Krümmung immer genauer gemessen, um die Theorie zu überprüfen. Und das gelang inzwischen mit einer Präzision von 1 zu 10.000. Einsteins Meisterwerk hat diese Tests also mit Bravour bestanden. Seitdem lässt sich der Effekt quasi als astrophysikalisches Werkzeug nutzen. Denn er erlaubt es im Umkehrschluss, aus der Lichtablenkung die Masse zu errechnen, welche die Krümmung verursacht. Der Gravitationslinsen-Effekt kann also gewissermaßen als Waage eingesetzt werden, um die Masse des Vordergrundobjekts zu bestimmen.

Zwergsterne als Massemesser

Gegenwärtig sind erst drei astrometrische Mikrolinsen-Effekte gemessen und publiziert worden (bdw 9/2020, „Der verzerrte Himmel“). Zuerst gelang dies einem Team um Kailash C. Sahu vom Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, bei dem 17 Lichtjahre fernen Weißen Zwergstern Stein 2051 B im Sternbild Giraffe mithilfe des Weltraumteleskops Hubble. Weiße Zwerge sind die kompakten Ruinen ausgebrannter kleiner Sterne, deren Masse nicht ausreichte, um als Supernova zu explodieren. Auch unsere Sonne wird in etwa 7,6 Milliarden Jahren zu einem Weißen Zwerg kollabieren, wenn ihr Brennstoff verbraucht ist und keine Kernfusion mehr stattfinden kann. 2017 berichteten die Wissenschaftler über den Nachweis des 2011 von Svea Proft, Markus Demleitner und Joachim Wambsganss am ARI vorausgesagten Effekts und bestimmten die Masse von Stein 2051 B: 0,675 plus/minus 0,051 Sonnenmassen.

Die zweite Messung glückte bei Proxima Centauri, dem mit einer Distanz von nur 4,24 Lichtjahren sonnennächsten Stern. Ein internationales Team um Alice Zurlo von der Universität Santiago de Chile veröffentlichte 2018 die mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte ESO auf dem Cerro Paranal in Chile gewonnenen Daten. Das 2014 von Sahu und seinen Kollegen vorausgesagte Ereignis ermöglichte es, die Masse des Roten Zwergsterns auf 0,15 plus/minus 0,06 Sonnenmassen zu ermitteln.

Allerdings ist sowohl Stein 2051 B als auch Proxima Centauri Teil eines Mehrfachsystems. Anders LAWD 37 (auch WD 1142-645 und LP 145-141 genannt): ein unscheinbarer Stern der 11,5. Größenklasse, also weder mit dem Auge noch mit einem guten Fernglas sichtbar. Er befindet sich am Südhimmel im Sternbild Fliege (Musca), unmittelbar südlich vom Sternbild Kreuz des Südens. Mit einer Entfernung von 15,12 Lichtjahren ist er der zweitnächste bekannte isolierte Weiße Zwerg. Nur Maanens Stern im Sternbild Fische steht der Erde mit 14,07 Lichtjahren Distanz etwas näher. Dieser wurde 1917 von dem niederländisch-amerikanischen Astronomen Adriaan van Maanen verzeichnet – im selben Jahr, in dem auch LAWD 37 erstmals im südafrikanischen Circular of the Union Observatory erwähnt worden ist. (Noch näher sind die Weißen Zwergsterne Sirius B und Prokyon B mit 8,6 beziehungsweise 11,5 Lichtjahren Abstand; doch sie sind keine Einzelgänger, sondern Teile eines Doppelsternsystems.)

LAWD 37 hat nur etwa ein Hundertstel des Durchmessers unserer Sonne, also ungefähr 14.000 Kilometer, und lediglich 0,05 Prozent ihrer Leuchtkraft, obwohl seine Oberfläche mit 8100 Grad Celsius mehr als 2000 Grad heißer ist. Er gehört zur Spektralklasse DQ. Somit besitzt er kaum noch Wasserstoff in seiner Helium-Atmosphäre, und sein Kern besteht überwiegend aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Entstanden ist er vor etwa 1,15 Milliarden Jahren. Sein Vorläufer war wahrscheinlich ein heller, heißer Stern vom Spektraltyp B, der etwa die 4,4-fache Sonnenmasse aufwies. Der Großteil seiner Materie wurde durch heftige Sternwinde in den Weltraum geblasen – vor allem im aufgeblähten Stadium des Roten Riesen, das dem Kollaps zum Weißen Zwerg vorangeht. Ob LAWD 37 von Planeten umkreist wird, ist unbekannt; eine gezielte Suche des Hubble-Weltraumteleskops konnte keinen nachweisen.

Winziger Winkel

LAWD 37 bewegt sich recht rasch am Himmel: mit 2665 beziehungsweise minus 356 Millibogensekunden pro Jahrhundert im Himmelskoordinatensystem von Rektaszension und Deklination. Auf Grundlage der Gaia-Messungen von 2014 bis 2017 hatte Peter McGill im Rahmen seiner Dissertation an der Cambridge University vorausgesagt, dass LAWD 37 im November 2019 einen 400-mal lichtschwächeren Hintergrundstern passieren würde. Dieser ist im Gaia EDR3-Katalog (Early Data Release 3) vom Dezember 2020 unter der Identifikationsnummer 5332606350796955904 verzeichnet. McGill prognostizierte eine scheinbare Positionsverschiebung des Sterns um bis zu 2,8 Millibogensekunden infolge seiner Lichtablenkung im Gravitationsfeld des Weißen Zwergs.

Daraufhin wurde Beobachtungszeit mit dem Hubble-Weltraumteleskop beantragt – und genehmigt. Nur dieses kann bei derart extremen Helligkeitsunterschieden so präzise messen. Unter der Leitung von Kailash Sahu nahm das Observatorium LAWD 37 und seine Umgebung ins Visier, an insgesamt neun Tagen vom 1. Mai 2019 bis zum 16. September 2020.

„Diese Ereignisse geschehen sehr selten, und die Effekte sind winzig“, sagt McGill, der nun an der University of California in Santa Cruz forscht. „In unserem Fall war es, als würde man die Länge eines Autos auf der Erde vom Mond aus messen wollen.“ Verglichen mit dem ersten Nachweis einer Lichtablenkung, während der Sonnenfinsternis von 1919, war der Ablenkungswinkel 625-mal kleiner.

„Selbst wenn man so ein extrem seltenes Ereignis identifiziert hat, ist es äußerst schwierig, es dann auch zu messen“, stimmt Leigh Smith zu. Der Astronom von der Cambridge University war an den Beobachtungen ebenfalls beteiligt. „Der Schein des Weißen Zwergs erzeugt unvorhersagbare Reflexe in der Optik, sodass wir jede einzelne Hubble-Aufnahme sehr sorgfältig analysieren mussten.“ Außerdem ließen die Forscher ihre Computer aufwendige Modellsimulationen rechnen, um das Rauschen im Detektor zu berücksichtigen und die statistische Güte der Messungen besser abzuschätzen.

Im Februar 2023 stellten Peter McGill und sein internationales Team, zu dem auch Nielsen, Klüter und Wambsganss gehören, die Ergebnisse in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society vor. Während des engsten scheinbaren Abstands am Himmel, 397 Millibogensekunden, betrug die gemessene Lichtablenkung des Hintergrundsterns 2,46 plus/minus 0,34 Millibogensekunden. Das stimmt mit der Voraussage gut überein. (Damals war eine größere Masse angenommen sowie auf der Basis der noch nicht so präzisen Gaia-Daten ein geringerer Minimalabstand von 380 Millibogensekunden prognostiziert worden.) Daraus ergibt sich für LAWD 37 eine gravitative Masse von 0,56 plus/minus 0,8 Sonnenmassen. Das ist die erste quasi direkte Massebestimmung eines Einzelsterns (abgesehen von der Sonne).

„Die Genauigkeit der Messung ermöglichte es uns, die Masse-Radius-Relation für Weiße Zwerge zu überprüfen“, sagt McGill. Das Resultat passt gut zu den Modellen der Entstehung und Entwicklung – das heißt der Abkühlung – von Weißen Zwergen sowie auch zu einer früheren indirekten Masseabschätzung.

Weitere Mikrolinsen-Messungen von LAWD 37 werden mithilfe anderer Hintergrundsterne in den nächsten Jahrzehnten möglich sein. Damit wird sich die erste Messung nicht nur überprüfen lassen, sondern die Masse des Weißen Zwergs könnte im Idealfall auch auf bis zu drei Prozent genau bestimmt werden.

Leuchtende Zukunft

Dank der Präzisionsdaten von Gaia werden sich künftig noch viele Mikrolinsen-Ereignisse messen lassen, auch von gewöhnlichen Sternen. „Betrachten wir die nahe Zukunft bis 2030, gibt es etwa 50 bis 100 Ereignisse, die gut beobachtet werden können“, ist Jonas Klüter zuversichtlich, der inzwischen an der Louisiana State University in Baton Rouge arbeitet. „Für einige wird Gaia Messungen machen, aus denen man anschließend die Masse der Sterne rekonstruieren kann.“

Braune Zwerge wären ebenfalls hochinteressant für eine astrometrische Massebestimmung. Allerdings besteht hierfür im nächsten Jahrzehnt wohl keine Chance. Das ergab die Studie eines Forscherteams um Judah Luberto von der University of California in Santa Cruz: Keiner der 1905 Braunen Zwerge in relativer Sonnennähe zieht nahe genug an einem geeigneten Hintergrundstern vorüber. Dabei hatten die Astronomen nicht nur den Gaia-Katalog berücksichtigt, sondern auch den drei Größenklassen empfindlicheren Katalog des Dark Energy Camera Legacy Survey.

Weiße Zwerge hingegen bieten bald viele Gelegenheiten. Einen hat Kailash Sahu schon im Visier: LAWD 66 (WD 1708-147) in 74 Lichtjahren Entfernung – dieses Mal jedoch nicht mit Hubble, sondern mit dem 2021 gestarteten James Webb Space Telescope. Die ersten Aufnahmen wurden bereits 2022 gemacht, zur maximalen Lichtablenkung kommt es im August 2024. Weil das Webb-Teleskop für infrarote Wellenlängen empfindlich ist, in denen Weiße Zwerge weniger hell strahlen, tritt der lichtschwache Hintergrundstern deutlicher hervor, sodass eine präzisere Bestimmung seiner scheinbaren Positionsverschiebung möglich sein dürfte.

Und Jonas Klüter hat mit seinen Kollegen vom ARI für 473 verschiedene Zwergsterne 625 Ereignisse in den nächsten Jahrzehnten vorausberechnet. Besonders vielversprechend ist einer namens Gaia EDR3-4053455379420641152, der 2025 einen sonnenähnlichen G-Stern der 20. Größenklasse passieren und dessen Licht dabei um etwa eine Millibogensekunde ablenken wird. Weil der Hintergrundstern im Infraroten sogar etwas heller strahlt als der Zwerg, sollte sich das Ereignis mit dem Webb-Teleskop gut beobachten lassen. Auch 2028 und 2036 wird der Zwergstern als Mikrogravitationslinse wirken. Die Relativitätstheorie wird Einsteins Zweifel zum Trotz also bald wie am Fließband als astrometrisches Werkzeug zum Einsatz kommen.