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30.01.10 · 12:00 Uhr

Ein Laserstern

Kategorie: Naturwissenschaften  ·  Kommentare: 2

Nachdem ich meinen Artikel zum Geburtstag des Lasers geschrieben hatte, kam mir eine Idee: Kann es nicht irgendwo im Universum natürliche Laser geben? Immerhin hat man auch entdeckt, dass es vor 2 Milliarden Jahren in Gabun einen natürlichen Kernreaktor gab. Also hab ich gesucht und bin schnell fündig geworden. Daher jetzt, passend zum LaserFest, die Geschichte von der Suche nach dem Laserstern.

Die erfolgreiche Suche nach einem Laserstern haben die Autoren um Vladimir Strelnitski vom Smithsonian in Washington und der NASA in Mountain View 1996 in einem Report für Science verkündet (hier das PDF von der NASA).

Wenn wir dieses Jahr den 50ten des Lasers feiern, dürfen wir nicht vergessen, dass der Maser sein Vorgänger war, und eigentlich der Maser die Realisierung der prinzipiellen Idee von der stimulierten Emission war. Der Maser sendet Mikrowellen aus, und der Laser realisierte als erstes sichtbares Licht - was ihn viel nützlicher machte. Die Grenze zwischen Maser und Laser zieht man bei etwa 300 Mikrometern, aber vor allem aufgrund der Detektionsmethode. Mikrowellen detektiert man aufgrund ihrer Welleneigenschaften, Laser eher optisch aufgrund ihrer Quanteneigenschaften.
Das vorweg, um den Ausgangspunkt zu kennen - denn kosmische Objekte, die als Maser arbeiteten, also Wellen im Mikrowellenbereich kräftig verstärkten, waren bereits 1969 beschrieben worden. Ich sollte auch nicht ständig von Sternen reden, denn die Verstärkung durch Lasing/Masing erfolgt in Gaswolken zwischen oder um die Sterne.

Die Frage

Jetzt stellten sich die Forscher die Frage: Maser sind beschrieben, aber auch Laser sind theoretisch vorausgesagt. Man sucht dabei im Licht das von Objekten ausgeht nach Linien, die viel intensiver sind als man annehmen sollte. Laser müssten eben kurzwelligere Linien aufweisen, kürzer als die bisher bekannten, die man vom Zentimeter- später bis in den Submillimeterbereich beobachtet hatte. Der Entdeckung weiterer Linien stand aber ein Hindernis im Weg - die Erdatmosphäre. Diese schluckt fast den gesamten Bereich von 20 bis 300 Mikrometern - Beobachtungen vom Erdboden waren also unmöglich.
Abhilfe schafft da nur - sich über die Atmosphäre begeben, oder wenigstens an den oberen Rand. Ich würde vermuten, dass mittlerweile auch Satellitenmessungen existieren. Für das vorgestellte Paper aber wurden Messungen von einem speziellen, Flugzeug-getragenen Instrument aus gemacht.
Wenn man aber jetzt ein schönes Instrument hat, muss man bevor man losfliegt erst einmal Klarheit darüber schaffen, was man beobachten möchte. Schließlich kann man nicht wild alle Sterne messen bis man fündig wird. Daher wurde ein spezielles Objekte ausgesucht, das vielversprechend schien. Der Stern MWC 349A im Sternbild Cygnus ist äußerst heiß, und 30000 Mal heller als unsere Sonne. Er ist umgeben von einer sehr massiven Wasserstoffwolke, aus der man bereits viele Fälle von Maser-Verstärkung kannte. Außerdem ist der Stern eine gigantische Quelle von Radiowellen. Es bestand also Hoffnung, dass dort auch Laser-Linien entstehen könnten, und man machte sich auf um mit dem Kuiper Airborne Observatory (KAO) Messungen anzustellen.

Das Kuiper Airborne Observatory findet Wasserstoff-Linien

Von 1975 bis 1995 war der umgebaute Lockheed-Militärtransporter Kuiper Airborne Observatory in der Luft, um mit einem Teleskop astronomische Messungen zu ermöglichen.

Vom KAO aus wurden die Ringe um den Uranus entdeckt und die Geburt von Sternen erkundet.
Bei zwei Messflügen am 15. Juni 1994 und am 16. August 1995 wurde das 91 cm-Teleskop auf den Stern MWC 349A gerichtet und nach drei Wasserstoff-Linien gesucht.
Die Linien, nach denen gesucht wird, werden als Hnα-Linien bezeichnet. Dabei steht das n für die Schale, in die das Elektron springt. Bei der gesuchten H10α-Linie z.B. springt ein Elektron von der 11ten in die 10te Schale und sendet ein Photon der Wellenlänge 52,5 µm aus. Und ihr erinnert euch - für einen Laser brauchen wir dann einen ganzen Haufen Wasserstoff-Atome in Zustand n=11, und eines dieser Photonen regt dann andere Atome an, auch Photonen auszusenden. Dadurch erhält man eine ganze Lawine, und eine Verstärkung in diesem Wellenlängenbereich. Durch eine technische Begrenzung wurde die Messmethode unterstützt: Das Teleskop des KAO war nicht gut genug, um diese Linien zu messen, falls sie nicht verstärkt wurden.
Aber natürlich wurden sie gefunden, sonst würde ich euch das ja jetzt nicht erzählen. Im Paper konnte klar gezeigt werden, dass diese Linien viel intensiver sind als man erwarten müsse, und dass man bis n=10 Laserlinien finden kann. Bleiben also nur noch die Fragen, wie die Linien entstehen können und warum man nicht auch bei noch kleinerem n Lasereffekte findet.

Wieso, weshalb, warum

Der Stern ist von einer Scheibe von Gas und Staub umgeben, die durch starke ultraviolette Strahlung erhitzt wird, so stark dass es wohl in einigen Bereichen zu einer Besetzungsinversion kommen kann. Da diese Scheibe in unterschiedlicher Entfernung vom Stern unterschiedlich dicht ist, wird jeweils eine andere Wasserstoff-Linie irgendwo in der Scheibe die optimale Verstärkung erhalten.

Daher stammen die Maser aus den weiter außen gelegenen Bereichen, und die Laser aus den weiter innen gelegenen, dichten Bereichen.
Und warum gibt es keine Linien bei weniger als n=10? Dafür gibt es mehrere mögliche Erklärungen. Vielleicht wird die Dichte nicht hoch genug, um die Verstärkung bei kleineren Linien zu erzielen. Vielleicht ist aber auch der Hintergrund "normaler", spontaner Emission so groß dass die verstärkten Linien detektiert werden konnten. Hey, das Paper ist von 1996, wahrscheinlich sind sie sogar schon detektiert worden und ich habe das Paper dazu nur noch nicht gelesen!

 

Autor: Jörg· 2 Kommentare· Permalink· Trackback-URL

Tags: astronomie· astrophysik· atmosphäre· flugzeug· kao· laser· laserfest· maser· mwc 349a· nasa· paper· physik· sterne· teleskope· wasserstoff