Sternentstehung in der HII-Region NGC 281 - PROJEKTARBEIT IM FACH ASTRONOMIE VON ALINA AMOUZOU UND LEA FISCHER
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Sternentstehung in der
HII-Region NGC 281
PROJEKTARBEIT IM FACH ASTRONOMIE
VON ALINA AMOUZOU UND LEA FISCHER
Projektkurs Astronomie Q1 2019/2020
Kursleiter: Bernd Koch
Carl-Fuhlrott Gymnasium, Wuppertal
0
Inhaltsverzeichnis
Einleitung .................................................................................................................................... 2
NGC 281 ...................................................................................................................................... 3
Sternentstehung ......................................................................................................................... 4
Vorgang – bis zum fertigen Bild ................................................................................................. 6
Technische Details ...................................................................................................................... 7
S/W-Kamera STF-8300M ........................................................................................................ 7
Celestron 11 HyperStar........................................................................................................... 8
HyperStar-Optik ...................................................................................................................... 9
Celestron 11 Edge HD im Vergleich ........................................................................................ 9
Bearbeitung der H-Alpha Bilder ............................................................................................... 10
(Details der) Globulen NGC 281 ............................................................................................... 13
Kelvin ........................................................................................................................................ 13
Interesse der Astronomen an Bok-Globulen............................................................................ 14
Weitere Details in NGC 281 ...................................................................................................... 14
Photoionisation ........................................................................................................................ 16
H-Alpha ..................................................................................................................................... 18
Fazit .......................................................................................................................................... 19
Danksagung .............................................................................................................................. 20
Abschlusserklärung .................................................................................................................. 21
Literaturverzeichnis .................................................................................................................. 22
1
Einleitung
Im Mittelpunkt dieser Projektarbeit steht die Untersuchung (Ausarbeitung) der
Sternentstehung im Nebel NGC 281. Dabei konzentrieren wir uns auf die fotografische
Herausarbeitung des Nebels und den physikalischen Hintergrund in der aktiven
Sternentstehungsregion, mit dem Ziel ein hochwertiges Bild des NGC 281 anzufertigen.
Um gute Aufnahmen des Nebels zu erhalten, haben wir zuerst mithilfe des Celestron 11
Teleskops mehrere Schwarz-Weiß- und Dunkelbilder angefertigt, die wir dann in einem
Programm über einander gelegt („gestackt“) und bearbeitet haben, sodass ein scharfes Bild
entstand. Danach folgt die stetige Dokumentation unserer Arbeitsschritte durch Screenshots
und Notizen.
Wir interessieren uns für die Sternentstehung als Thema unserer Projektarbeit, da wir durch
den Unterricht verschiedene Nebel kennengelernt haben und uns deren komplexe Formen
und Farben, sowie der Fakt, dass aus riesigen Gaswolken Sterne entstehen, sehr fasziniert
haben.
Während dieser Projektarbeit erwarten wir Einblicke in die Fotografie und Bildbearbeitung zu
erlangen. Außerdem erhoffen wir uns die Vorgänge der Sternentstehung nachzuvollziehen
und in dieser Ausarbeitung erklären zu können.
2
NGC 281
Der amerikanische Astronom Edward Emerson Barnard entdeckte am 16. November 1881 das
noch immer aktive Sternentstehungsgebiet NGC 281, welches sich im 9500 Lichtjahre
entfernten Sternbild Kassiopeia befindet. Die HII-Region befindet sich ungefähr 1,6° östlich
des Hauptsterns α Cas. Im Zentrum des Nebels befindet sich der offene Sternhaufen IC 1590.
Der Nebel wird umgangssprachlich auch Pacman Nebel genannt. Er bekam seinen Namen
durch die Ähnlichkeit zu der Computerspielfigur Pacman. Weitere Katalogbezeichnungen des
Nebels lauten IC 11, LBN 616 und Ced3.
Die Rektaszension beträgt 00h 52m 25s und die Deklination +56° 34‘. Der Zentralstern des
Nebels hat die Spektralklasse O5.5, der Nebel besteht aus ionisiertem Wasserstoff und
Helium. Dadurch erscheint der Nebel rot.
Abb. 01: Dieses Bild des NGC 281 wurde vom Hubble Space-Telescope aufgenommen.
3
Wikipedia: NGC 281
Abb. 01: https://www.spacetelescope.org/images/opo0613b/
Sternentstehung
Sterne entstehen in interstellaren Wolken, welche auch als Molekülwolken oder Gaswolken
bezeichnet werden. Sie bestehen aus Staub und Gasen. Diese Vorkommnisse sind im
Universum nicht selten, was allerdings nicht bedeutet, dass auch jedes Mal dabei Sterne
entstehen, da die Entstehung masseabhängig ist.
Voraussetzung für das Entstehen ist, dass die Wolke in sich zusammenfällt. Eine Gaswolke
fängt nur dann an zu kollabieren, wenn sie alle anderen Kräfte überwiegt. Dies bedeutet, dass
die Gravitationskraft, die für den Kollaps verantwortlich ist, dem Druck entgegenwirken muss.
Druck entsteht zunächst durch die gegebene Temperatur im Inneren der Wolke. Das bedeutet,
dass zuerst die Temperatur sinken muss und das passiert indem die Gaswolke strahlt. Die
Strahlung, in Form von Energie, wird nach außen abgegeben und die Gaswolke kühlt ab.
Abb. 02
Eine weitere Kraft, die der Gravitationskraft entgegenwirken kann, ist die Zentrifugalkraft, die
durch die Rotation einer Gaswolke entsteht. Die Klumpen, die sich aus dem Staub und
Gesteinsbrocken gebildet haben, reiben innerhalb der Wolke an einander und sorgen für den
Verlust der Rotationsenergie.
4
Höger, Benedict: »Sternentstehung«, Mpifr Bonn
Abb. 03
Wenn diese beiden Faktoren nicht mehr im Gleichgewicht mit der Gravitation sind, kann
danach die Schwerkraftkontraktion einsetzen. Dabei ziehen sich die Moleküle zusammen und
konzentrieren sich im Kern des Nebels. Somit wird der Kern immer dichter. Durch diese
Kontraktion wird thermische Energie in Form von Wärme freigesetzt und es entstehen erste
Protosterne. Die immer steigende Temperatur im Inneren sorgt dafür, dass die Kernfusion
einsetzt und der vorhandene Wasserstoff zu Helium fusioniert.
Bei diesem Vorgang ionisiert der Wasserstoff, wodurch den Atomen Elektronen entrissen
werden. Durch die Einsetzung der Kernfusion gehen die Sterne in die Hauptreihenphase über,
in der sie energiereiche UV-Strahlung aussenden. Diese Strahlung sorgt für das Leuchten des
Nebels.
Die Strahlung des Nebels entsteht, wenn sich Protonen und Elektronen zusammenfinden.
Diese bestimmten leuchtenden Regionen des Nebels werden als H-II-Regionen bezeichnet.
(Dies beschreibt den Ionisierungszustand des Wasserstoffs)
5
Höger, Benedict: »Sternentstehung«, Mpifr Bonn
Vorgang – bis zum fertigen Bild
Bevor wir mit dem Beobachten begonnen haben, sammelten wir im Unterricht zunächst
Wissen über die verschiedenen Bereiche der Deep Sky Fotographie und die dafür benötigten
Geräte.
Dazu gehören zum einen die technischen Details: Wir haben den Aufbau des Celestron 11
Teleskops und den H-Alpha Filter untersucht und uns mit den Funktionsweisen der Schwarz-
weiß- (und Farbkamera) vertraut gemacht. Zum anderen haben wir uns mit dem Umgang mit
verschiedenen Programmen für die Bildbearbeitung beschäftigt.
Anschließend planten wir mithilfe des Programmes Stellarium den Beobachtungszeitraum und
konnten die Bildfeldgröße des Celestron 11 mit Hyperstar-Optik einsehen.
Danach begannen wir mit dem Fotografieren des NGC 281 und der Bearbeitung der
erstandenen Schwarz-Weiß-Aufnahmen.
6
Technische Details
S/W-Kamera STF-8300M
Megapixel 8,3
Aktive Kühlung ja
Binning 1x1, 2x2, 3x3, 9x9, 1xn
Auflösung Foto (Pixel) 3326x2504
Chipgröße (mm) 18 x 13,5
Pixelgröße (µm) 5,4
Belichtungszeit max. (min) 60
Belichtungszeit min. (Sekunden) 0,1
Max. Differenz Kühlung unter -40
Umgebungstemperatur (°C)
Bit-Tiefe (Bit) 16
Serie STF
Gewicht (g) 800
Abb. 04: S/W-Kamera STF-8300M
7
Astroshop.de: SBIG Kamera STF-8300M
Abb. 04: https://optcorp.com/products/sbig-stf-8300-cooled-monochrome-ccd-telescope-camera
Celestron 11 HyperStar
Brennweite (mm) 560
HyperStar Backfokus (gerechnet jeweils ab 59,7mm
der kameraseitigen Abschlussfläche des
Hyperstar-Gehäuses
Öffnungsverhältnis f/2.0
max. Feldgröße 2.9 Grad
max. Sensorgröße 27
(diagonal/mm)
Gewicht < 1 kg
Abmessung (mm) 114,3 x 109,2
HyperStar/Kameraadapter 2.53x32 UNS-2A
Anschlussgewinde
Abb. 05
Abb. 06
8
Celestron.de: Hyperstar
HyperStar-Optik
Abb. 07: HyperStar-Optik
Hyperstar ist ein mehrlinsiges Korrektursystem, dass die Coma und Bildfeldwölbung des
Hauptspiegels ausgleicht. Der Hyper-Star-Aufsatz verbessert die Belichtungsdauer.
Celestron 11 Edge HD im Vergleich
Abb. 08
9
Celestron.de: Hyperstar
Celestron.de: Whitepaper EdgeHD Optics
Abb. 07: https://www.baader-planetarium.com/blogs/celestron-de/wp-
content/uploads/sites/3/2018/04/61_hyperstarconfig.jpg
Abb. 08: https://s3.amazonaws.com/celestron-site-support-files/support_files/edgehd_whitepaper_final.pdfBearbeitung der H-Alpha Bilder
Die Bildbearbeitung erfolgt in dem Programm Maxim DL Pro.
Zunächst erzeugten wir aus den aufgenommen Darkframes ein MasterDark, damit dieses
hinterher von unserem gestackten Bild subtrahiert werden kann, um ein optimales Ergebnis
ohne Rauschen zu erzielen.
Abb. 09
Als nächstes importierten wir die Lichtbilder von NGC 281.
Abb. 10
10Im darauffolgenden Schritt kombinierten wir die Bilder miteinander.
Abb. 11
Zuletzt haben wir das gestackte Bild angepasst.
Abb. 12
11Am Ende entstand ein fertiges schwarz-weiß Bild, welches im Nachhinein für die
Farbbearbeitung genutzt werden könnte. Die Qualität des Bildes ist vergleichbar mit
professionellen Aufnahmen, wie zum Beispiel von der NASA.
Abb. 13: Fertiges Bild des NGC 281 (Datum: 04.12.19, 16:54- 18.88UT, Stacking von 127 Aufnahmen
zu je 30s Belichtungszeit. Gesamtbelichtung: 63 Minuten)
12(Details der) Globulen in NGC 281
Im Nebel sind mehrere dunkle Flecken zu erkennen. Diese Flecken die in Emissionsnebeln
auftauchen sind Molekülwolken und werden als Globule, bzw. Bok-Globule bezeichnet. Früher
wurden Bok-Globule aufgrund ihrer Erscheinung auch als „Löcher im Himmel“ bezeichnet.
Benannt sind die Dunkelwolken nach Bart Bok, welcher 1947 entdeckte, dass sie ein
Frühstadium der Sternentstehung sind.
Die Globule bestehen aus sehr kaltem Gas und Staub. Aufgrund der hohen Dichte der
Moleküle sind Globule nahezu lichtundurchlässig. Dies ist der Grund, weshalb sie nur mit
Infrarot- oder Radioteleskopen untersucht und erforscht werden können. Die Globule haben
normalerweise eine Größe von weniger als 100 Sonnenmassen und eine Temperatur von 10
Grad Kelvin.
Kelvin
Kelvin ist eine Temperatur-Einheit die sich von
Celsius durch die Definition der Nullpunkte
unterscheidet, wobei jedoch der Unterschied
von einem Grad Celsius der gleiche ist wie von
einem Kelvin. Im Gegensatz zu null Grad
Celsius, was den Gefrierpunkt von Wasser
bezeichnet, sind null Kelvin als die niedrigste
physikalisch erreichbare Temperatur
definiert.
Abb. 14
13
Wikipedia: Bok Globule
Astronomy.swin.edu.au: Bok Globule
Astronomy.swin.edu.au: Kelvin
Abb. 14: https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/K/KelvinInteresse der Astronomen an Bok-Globulen
Der Fakt, dass Globulen Orte der Sternentstehung sind, macht sie für die Astronomie
besonders interessant. Diese findet in besonders dichten Teilen der Molekülwolken statt.
Forscher bevorzugen Bok-Globulen bei der Untersuchung von frühen Stadien der
Sternbildung, da die Bedingungen bei riesigen Molekülwolkenkomplexen, wie zum Beispiel
dem Orion-Nebel, in denen ebenfalls Sterne entstehen, viel komplexer sind. Ein weiter
positiver Aspekt ist, dass die nächstgelegenen Bok-Globule detailliertere beobachtet werden
können, da sie sich bis zu viermal näher an der Erde befinden als der nächstgelegene
Molekülwolkenkomplex.
Weitere Details in NGC 281
Teilweise sind dunkle Streifen im Nebel erkennbar. Diese Streifen bestehen aus Staub, der so
dicht ist, dass das Licht wie bei den Globulen absorbiert wird. Helle nebenliegende Sterne
sorgen dafür, dass die Ränder der Globule bzw. der Staub-Streifen angestrahlt werden und
somit hell leuchten.
Außerdem ist der, in dem Nebel eingebettete, offene Sternhaufen IC 1590 sichtbar zu
erkennen. Der IC 1590 ist schätzungsweise dreieinhalb Millionen Jahre alt und somit relativ
jung. Das hellste Mitglied dieses Sternhaufens ist der Mehrfachstern HD 5005, welcher dafür
sorgt, dass das Gas des NGC 281 ionisiert wird. HD 5005 wird aus mehreren O-Sternen
gebildet, deren hellster Stern den extrem seltenen Spektraltyp O4 besitzt.
Nahe des IC 1590 befindet sich ein weiterer, dreigeteilter Sternenhaufen inmitten der
Molekülwolke. Dieser Sternenhaufen ist nur durch Infrarotaufnahmen zu sehen.
14
Astronomie.de: Die HII Region NGC 281Abb. 15
1. Bok-Globule
2. Offener Sternhaufen IC 1590
Abb. 16
Die hier eingekreiste Dunkelwolke hat den Namen Dobashi 3745. Das Material, welches die
südwestliche Ecke des Nebels verdeckt ist Teil einer ausgedehnten Molekülwolke. Würde
diese Molekülwolke den Teil HII-Region nicht verdecken, wäre der Nebel in Kugelform
sichtbar. (Auch bezeichnet als Strömgren-Sphäre.)
15
Astronomie.de: Die HII Region NGC 281
https://www.astronomie.de/aktuelles-und-neuigkeiten/alle-news-im-ueberblick/detailseite/45-woche-ein-
bemerkenswertes-herbstobjekt-die-hii-region-ngc-281/Photoionisation
Bei der Photoionisation ionisiert ein Atom bzw. Molekül dadurch, dass die elektromagnetische
Strahlung absorbiert wird. Bei diesem Vorgang steigt die Energie über die Ionisierungsgrenze
an, wobei ein neutrales Teilchen Photonen aufnimmt. Der Prozess ist in der folgenden
Darstellung abgebildet.
Abb. 17
Bei der Photoionisation ionisiert ein Atom bzw. Molekül dadurch, dass die elektromagnetische
Strahlung absorbiert wird. Bei diesem Vorgang steigt die Energie über die Ionisierungsgrenze
an, damit ein neutrales Teilchen ein, beziehungsweise mehrere Photonen aufnehmen kann.
In der folgenden Darstellung ist dieser Prozess abgebildet.
„Ein Atom oder Molekül befindet sich in einem gebundenen Zustand
und absorbiert ein Photon der Energie
Die Wellenlänge des Photons ergibt sich aus der Beziehung“
c ist hierbei die Lichtgeschwindigkeit.
16
Spektrum: Photoionisation
Abb. 17: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/photoionisation/11196Da die Wellenlänge des Photons für die Ionisation weniger als 318nm betragen muss, findet
Photoionisation im Spektralbereich der Ultravioletten-Strahlung oder der Röntgenstrahlung
statt.
Dies lässt sich mit der Rechnung erklären.
ist die Energie des Photons und Eion die Ionisationsenergie.
Ist die Strahlungsintensität in Lichtfeldern sehr hoch, können Multiphotonenionisationen
stattfinden. Das bedeutet, dass bei der Ionisation mehrere Photonen absorbiert werden.
17
Spektrum: PhotoionisationH-Alpha
Die abgegebene Strahlung der Sterne bringt den Nebel erst zum Vorschein. Das Gas in den
Wolken ist so dicht, dass das visuelle Licht absorbiert wird und der Nebel letztendlich nur in
einem bestimmten Bereich des Spektrums erkennbar ist. Diese sichtbare Spektrallinie von
Wasserstoff wird als H-alpha bezeichnet und liegt im roten Bereich des Lichts.
Abb. 18 Abb. 19
Die Verwendung des H-Alpha Filters sorgt dafür, dass das durch die Stadt verursachte
Streulicht ausgeblendet wird. Wie in Grafik erkennbar ist, werden nur die H-Alpha Wellen
durchgelassen und es kann somit ein klares Bild des Nebels entstehen.
Durchlasskurve
Abb. 20
18
Wikipedia: H-Alpha
Abb. 18: https://www.baader-planetarium.com/en/baader-h-alpha-7nm-ccd-narrowband-filter.html
Abb. 19: https://www.teleskop-express.de/shop/Bilder/shop/baader-planetarium/nebelfilter/baader-halpha-filter-7nm-
2inch.kl.jpg
Abb. 20: : https://www.teleskop-express.de/shop/Bilder/shop/baader-planetarium/nebelfilter/baader-halpha-filter-7nm-
kurve.kl.jpgFazit
Abschließend können wir sagen, dass wir zufrieden mit unserer Facharbeit sind. Wir freuen
uns sehr über die gelungene Schwarz-Weiß-Aufnahme des NGC 281. Darüber hinaus
konnten wir neue Erfahrungen im Umgang mit den Teleskopen, Kameras und
Bildbearbeitungsprogrammen gewinnen und unser Wissen über ein sehr interessantes und
komplexes Thema der Astronomie erweitern.
Auf Grund zeitlicher Engpässe von unserer Seite aus, sind wir leider nicht mehr dazu
gekommen, wie geplant, ein Farbbild aufzunehmen. Somit fiel ein Teil der praktischen Arbeit
weg.
19Danksagung
An dieser Stelle möchten wir Bernd Koch unseren Dank aussprechen. Als Lehrer hat er uns
über das ganze Jahr in dem Projektkurs begleitet, uns mit der Astronomie und der für unsere
Beobachtungen nötigten Technik vertraut gemacht. Wir bedanken uns dafür, dass er uns
sowohl bei dem Fotografieren der Deep-Sky Aufnahmen unterstützt hat, als auch bei dem
eigentlichen Schreiben der Projektarbeit immer als Ansprechpartner bei Fragen oder
Schwierigkeiten zur Seite stand.
Unser Dank gebührt auch der Schule und den Sponsoren der Sternwarte, die erst einen
Projektkurs wie diesen ermöglicht haben, durch den wir und vielen weiteren Schüler*innen
Einblicke in die Wissenschaft der Astronomie bekommen konnten.
20Abschlusserklärung
Hiermit erklären wir, dass die vorliegende Facharbeit selbständig von uns verfasst wurde und
keine anderen als die im Literaturverzeichnis angegebenen Quellen bzw. Hilfsmittel genutzt
wurden. Die Stellen der Facharbeit, die aus anderen Quellen im Wortlaut oder dem Sinn nach
entnommen wurden, sind durch Verzeichnisangaben kenntlich gemacht. Dies gilt auch für
Bilder anderer Urheber.
21Literaturverzeichnis
Der NGC 281
https://de.wikipedia.org/wiki/NGC_281
https://www.meixnerobservatorium.at/bilder/nebula-nebel/ngc-281-pacman-nebel/
Abb. 01: https://www.spacetelescope.org/images/opo0613b/
Sternentstehung
https://www.mpifr-bonn.mpg.de/311266/benedict_hoeger.pdf
https://www.mpifr-bonn.mpg.de/473576/starform
https://www.weltderphysik.de/gebiet/universum/sterne/formel-fuer-die-sternentstehung/
S/W-Kamera STF-8300M
https://www.astroshop.de/astro-kameras/sbig-kamera-stf-8300m/p,47233#tab_bar_1_select
Abb. 04: https://optcorp.com/products/sbig-stf-8300-cooled-monochrome-ccd-telescope-camera
Celestron 11 HyperStar
https://www.celestron.de/ce_de/hyperstar/
HyperStar Optik
https://www.celestron.de/ce_de/hyperstar/
Abb. 07: https://www.baader-planetarium.com/blogs/celestron-de/wp-
content/uploads/sites/3/2018/04/61_hyperstarconfig.jpg
Celestron 11 Edge HD
Abb. 08: https://s3.amazonaws.com/celestron-site-support-files/support_files/edgehd_whitepaper_final.pdf
22Globule:
https://de.wikipedia.org/wiki/Globule
https://phys-org.cdn.ampproject.org/v/s/phys.org/news/2010-06-bok-
globules.amp?usqp=mq331AQFKAGwASA%3D&_js_v=0.1#aoh=15896220753565&referrer=https%3A%2F
%2Fwww.google.com&_tf=Von%20%251%24s&share=https%3A%2F%2Fphys.org%2Fnews%2F2010-
06-bok-globules.html
https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/B/Bok+Globule
Kelvin
https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/K/Kelvin
Abb. 14: https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/K/Kelvin
Weitere Details im NGC 281 (IC 1590)
https://www.astronomie.de/aktuelles-und-neuigkeiten/alle-news-im-ueberblick/detailseite/45-woche-ein-
bemerkenswertes-herbstobjekt-die-hii-region-ngc-281/
http://www.kopernik.org/images/archive/n281.htm
Photoionisation
https://www.spektrum.de/lexikon/physik/photoionisation/11196
Abb. 17: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/photoionisation/11196
H-Alpha
https://de.wikipedia.org/wiki/H-alpha
Abb. 18: https://www.baader-planetarium.com/en/baader-h-alpha-7nm-ccd-narrowband-filter.html
Abb. 19: https://www.teleskop-express.de/shop/Bilder/shop/baader-planetarium/nebelfilter/baader-halpha-
filter-7nm-2inch.kl.jpg
Abb. 20: https://www.teleskop-express.de/shop/Bilder/shop/baader-planetarium/nebelfilter/baader-halpha-
filter-7nm-kurve.kl.jpg
23Sie können auch lesen
