Letzte Aktualisierung: 3. Mai 2014

Cepheiden: Warum pulsieren diese Sterne?

Was ist eine Cepheide?

DERCepheidensind pulsierende, veränderliche Sterne, deren Helligkeit aufgrund von Änderungen ihrer Größe und Temperatur periodisch schwankt. Diese Sterne sind für die Astrophysik von entscheidender Bedeutung, da sie dank der Beziehung zwischen Periode und Leuchtkraft die Messung astronomischer Entfernungen, insbesondere in unserer Galaxie und darüber hinaus, ermöglichen. Dieser Zusammenhang wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von der amerikanischen Astronomin Henrietta Swan Leavitt entdeckt.

Eigenschaften von Cepheiden

• Variabilität: Die Helligkeit der Cepheiden variiert regelmäßig über Zeiträume von einigen Tagen bis zu mehreren Monaten. Diese Variation ist auf Schwingungen in der inneren Struktur des Sterns zurückzuführen.
• Perioden-Leuchtkraft-Beziehung:Henrietta Leavitt(1868-1921) entdeckten, dass die intrinsische Leuchtkraft eines Cepheiden umso höher ist, je länger die Variationsperiode ist. Mit anderen Worten: Die absolute Größe einer Cepheide steht in direktem Zusammenhang mit der Periode ihrer Schwingungen.

Henrietta Swan Leavitt-Theorie

Henrietta Swan Leavitts Arbeit begann 1908, als sie fotografische Platten veränderlicher Sterne in den Magellanschen Wolken analysierte. Sie beobachtete rund hundert veränderliche Sterne, darunter einige Cepheiden. Ihre grundlegende Entdeckung war die Beziehung zwischen Periode und Leuchtkraft. Tatsächlich fand sie heraus, dass Sterne mit längeren Variationsperioden von Natur aus heller waren.

Leavitt konnte die absoluten Entfernungen dieser Sterne nicht bestimmen, sie lieferte jedoch eine äußerst genaue relative Skala. Sobald Astronomen die Entfernung zu einem Cepheiden ermittelt hatten (z. B. mithilfe von Parallaxenmessungen), konnten sie diese Beziehung nutzen, um Entfernungen zu anderen Cepheiden zu berechnen. Dies ebnete den Weg zur Schätzung der Entfernungen von Galaxien und zum Verständnis der Größe des Universums.

Cepheid-Physik

Cepheiden sind massereiche, entwickelte Sterne, die die Hauptreihe des Hertzsprung-Russell-Diagramms verlassen haben. Ihre Variabilität ist auf einen Prozess namens „Heliumzoneninstabilität“ zurückzuführen. In einigen Schichten dieser Sterne ist Helium teilweise ionisiert, was die Transparenz gegenüber Wärme (Opazität) beeinträchtigt.

• Kontraktionsphase: Wenn sich der Stern zusammenzieht, steigt die Temperatur und die Opazität durch ionisiertes Helium blockiert die Energie in den inneren Schichten. Diese Energieansammlung führt dazu, dass der Stern anschwillt.
• Expansionsphase: Wenn sich der Stern ausdehnt, kühlt er ab, das Helium rekombiniert in einen weniger ionisierten Zustand, wodurch die Opazität verringert wird, wodurch Energie entweichen kann. Der Stern zieht sich wieder zusammen und der Zyklus beginnt von neuem.

Dieser pulsierende Zyklus ist regelmäßig, was die genaue Beziehung zwischen Periode und Helligkeit ermöglicht.

Bedeutung der Entdeckung

Dank der Perioden-Leuchtkraft-Beziehung der Cepheiden konnte Edwin Hubble in den 1920er Jahren nachweisen, dass es sich bei bestimmten Spiralnebeln tatsächlich um Galaxien außerhalb der Milchstraße handelte. Diese Entdeckung veränderte unser Verständnis des Universums und zeigte, dass es viel größer ist als bisher angenommen.

Diese Videomontage wurde aus Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops erstellt, um die Pulsationen des veränderlichen Sterns RS Puppis und seiner Umgebung aus dicken dunklen Wolken zu zeigen. RS Puppis ist ein Cepheid, eine Art veränderlicher Stern im Sternbild Puppis. Der Staub, der RS Puppis umgibt, ermöglicht es uns, ein Phänomen, das als Lichtecho um den Stern bekannt ist, mit erstaunlicher Klarheit zu sehen. Dieses Lichtecho erzeugt die Illusion sich ausdehnender Gaswolken von RS Puppis. Die Hubble-Beobachtungen wurden über einen Zeitraum von fünf Wochen im Jahr 2010 durchgeführt, um den veränderlichen Stern in verschiedenen Phasen seines Zyklus einzufangen; Die Helligkeit variiert alle 40 Tage um den Faktor fünf oder mehr. Das kurze Video wird mehrmals wiederholt, um den Lichtechomechanismus deutlicher zu zeigen. Diese Hubble-Beobachtungen zeigen das Objekt an einem dunklen Himmel voller Hintergrundgalaxien. Da sich RS Puppis in einem großen Nebel befindet, konnten Astronomen seine Entfernung anhand von Lichtechos messen, die von den Partikeln des Nebels ausgehen. Sie ermittelten genau, dass sich die Cepheiden 6500 ± 90 Lichtjahre von der Erde entfernt befanden. Die Genauigkeit der Messung ist wichtig, da die Cepheiden als Markierung (Standardkerze) für Entfernungen innerhalb unserer Galaxie und benachbarter Galaxien dienen. Kredit:NASA, ESA, G. Bacon (STScI), das Hubble Heritage-Team.