Astrophysiker lösen das Rätsel des "Verschwindens" von Schwefel in planetarischen Nebeln
Eine mittlerweile ikonische Collage zeigt 22 einzelne bekannte PNe, die künstlerisch in einer Spiralmusteranordnung nach ungefährer physikalischer Größe angeordnet sind. Credit: ESA/Hubble and NASA, ESO, NOAO/AURA/NSF nach einer Idee des entsprechenden Autors und Ivan Bojicic und gerendert von Ivan Bojicic mit Input von David Frew und dem Autor.
Zwei Astrophysiker des Laboratory for Space Research (LSR) an der Universität Hongkong (HKU) haben endlich ein 20 Jahre altes astrophysikalisches Rätsel gelöst, das sich mit den geringeren als erwarteten Mengen des Elements Schwefel in Planetarischen Nebeln (PNe) im Vergleich zu den Erwartungen und Messungen anderer Elemente und anderer Arten von astrophysikalischen Objekten befasst.
Die erwarteten Schwefelwerte schienen lange Zeit "verschwunden". Sie wurden jedoch nun endlich nach getaner Arbeit sichtbar, dank der Verwendung hochgenauer und verlässlicher Daten. Das Team hat seine Ergebnisse kürzlich in Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
PNe sind die kurzlebigen leuchtenden ausgestoßenen gasförmigen Schleier sterbender Sterne, die professionelle und Amateur-Astronomen gleichermaßen mit ihren bunten und vielfältigen Formen seit langem faszinieren und begeistern. PNe leben nur einige Zehntausend Jahre im Vergleich zu ihren Muttersternen, die Milliarden von Jahren dauern können, bevor sie die PN-Phase durchlaufen und zu "Weißen Zwergen" werden.
Aus diesem Grund bieten PNe einen nahezu augenblicklichen Einblick in das Sterben der Sterne. Sie sind ein wichtiger wissenschaftlicher Einblick in die späten Stadien der stellaren Entwicklung, da ihre reichen Emissionslinienspektren detaillierte Untersuchungen ihrer chemischen Zusammensetzung ermöglichen.
Bisherige Studien zeigten, dass PNe-Optikspektren einen unterschiedlichen Mangel an dem Element Schwefel aufweisen. Dieser Mangel war schwer zu erklären, da Schwefel, als ein "α-Element", zusammen mit anderen Elementen wie Sauerstoff, Neon, Argon und Chlor in massereicheren Sternen produziert werden sollte. Daher sollte auch seine kosmische Fülle direkt proportional sein.
Zu unserer Überraschung wurden starke Korrelationen zwischen Schwefel- und Sauerstoffgehalten in H II-Regionen (ionisierte Wasserstoffregion) und blauen kompakten Galaxien beobachtet (siehe Abbildung 2). PNe, die von Sternen niedriger bis mittlerer Masse stammen, zeigen jedoch konstant niedrigere Schwefelwerte, was zu der sogenannten mysteriösen "Schwefelanomalie" führt, die Astronomen seit Jahrzehnten verwirrt und nervt.
Ms. Shuyu Tan, eine Absolventin des MPhil-Studiengangs in Physik an der HKU und Forschungsassistentin am HKU LSR, nutzte zusammen mit ihrem Betreuer Professor Quentin Parker, dem Direktor des LSR, eine beispiellose Stichprobe außergewöhnlich hochwertiger optischer Spektren mit einem Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) für etwa 130 PNe im Zentrum unserer Galaxis. Dieser außergewöhnliche Datensatz hatte minimales Hintergrundrauschen und ermöglichte eine klare und detaillierte Untersuchung der spektralen Merkmale, die dem Team half, das Rätsel effektiv anzugehen und zu lösen.
Diese PNe wurden mit dem weltweit führenden 8m Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile beobachtet. Es stellte sich heraus, dass die Anomalie im Wesentlichen auf eine schlechte Datenqualität für Schwefelemissionslinien in PNe-Spektren zurückzuführen war. Es wurde festgestellt, dass Argon eine stärkere Korrelation mit Sauerstoff für Schwefel aufweist und daher als zuverlässiger Indikator für Metallizität und geeignetes Vergleichselement vorgeschlagen wurde.
Wenn also eine große, sorgfältig ausgewählte Stichprobe von PNe spektroskopisch mit hohem S/N auf einem großen Teleskop beobachtet wird, zeigten die Daten nicht nur ein starkes "Gleichschritt"-Verhalten von Schwefel in PNe zum ersten Mal, wie es für andere Arten von astrophysikalischen Objekten gesehen und erwartet wurde, sondern die Anomalie selbst verschwand effektiv.
Die Autoren haben frühere Behauptungen erfolgreich widerlegt, dass die Schwefelanomalie in Planetarischen Nebeln auf unterschätzte höhere Schwefelionisationsstufen oder schwache Schwefellinienflüsse zurückzuführen war. Diese Erkenntnis unterstreicht die entscheidende Bedeutung von qualitativ hochwertigen Daten bei der Lösung wissenschaftlicher Rätsel.
