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    Lutz WISOTZKI, Roland BACON, Shehan BONATZ



    Im Folgenden werden Beispiele astrophysikalischer Phänomene gegeben, die mit MUSE besser erforscht werden können: Die Entstehung und Entwicklung von Galaxien, die stellaren Populationen naher Galaxien, massreiche Schwarze Löcher, junge Sterne sowie Planeten und kleine Körper des Sonnensystems. Das neue Instrument deckt ein breites Spektrum von Objekten und Entfernungsskalen ab, von Mitgliedern des Sonnensystems bis hin zu über 12 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxien. Damit erlaubt MUSE bisher unmögliche Beobachtungen auf vielen Gebieten der modernen Astrophysik.

    Entstehung und Entwicklung von Galaxien

    A sample of distant galaxies
    A sample of distant galaxies
    Example of distant galaxies from the Hubble Ultra Deep Field. Credits: NASA

    Einer der wichtigsten Gründe für die Entwicklung von MUSE war das Fehlen eines Instruments, das die Vorläufer normaler, unserer Milchstraße ähnliche Galaxien entdecken und erforschen kann – MUSE wird diese Fähigkeit besitzen. Junge Galaxien befinden sich in Entfernungen bis zu mehr als 12 Milliarden Lichtjahren, sind äußerst leuchtschwach und daher schwer zu beobachten. Wie in der allgemeinen Einführung erläutert, wird MUSE die ausgeprägten Wasserstofflinien dieser verschwindend schwach schimmernden Galaxien ausnutzen, um sie detektieren und untersuchen können. Die Astronomen rechnen damit, bei ihrer groß angelegten Durchmusterung des Himmels viele tausende solcher Galaxien zu finden. Die vollständige Stichprobe wird Galaxien aller Typen enthalten, d.h. elliptische und spiralförmige, aktive und inaktive, junge und alte. Einem solchen, homogenen physikalischen Datensatz kommt eine Schlüsselrolle bei der Lösung des Rätsels der Galaxienentstehung und -entwicklung zu.

    Sterne in nahen Galaxien

    The spiral galaxy NGC 300
    The spiral galaxy NGC 300
    Credits: ESO

    Galaxien bestehen aus Milliarden von Sternen. Aus großer Entfernung betrachtet lassen sich die einzelnen Sterne nicht mehr unterscheiden und die Galaxien erscheinen als Nebel. In einer Aufnahme einer entfernten Galaxie enthält jeder Bildpunkt das Licht Tausender Sterne, ihr Licht wird vermischt. So geht wertvolle Information verloren, da es unmöglich ist, das Licht im Nachhinein in die Beiträge der einzelnen Sterne zu zerlegen. MUSE wird es ermöglichen, in einer einzigen Aufnahme eine Vielzahl von Sternen aufzulösen und über tausend Sternspektren simultan aufzunehmen. Die Wissenschaftler wollen die hohe Auflösung von MUSE zur Erforschung massereicher Sterne nutzen. Obwohl diese Sterne eine Schlüsselrolle bei der Galaxienentwicklung spielen, geben sie den Astrophysikern immer noch Rätsel auf. Mit MUSE wird es möglich, eine Reihe benachbarter Spiralgalaxien systematisch zu erforschen und zehnmal mehr massereiche Sterne zu erfassen als bisher.

    Massereiche schwarze Löcher in benachbarten Galaxien

    Die meisten großen Galaxien besitzen in ihrem Zentrum ein supermassives schwarzes Loch. Aufgrund seiner extrem hohen Masse übt dieses eine enorme Schwerkraft auf die umgebenden Sterne aus und beschleunigt diese auf erhebliche Geschwindigkeiten. Umgekehrt lässt sich dann aus einer Messung der Bahnbewegung der Sterne in unmittelbarer Nähe der schwarzen Lochs die Masse des schwarzen Lochs bestimmen. Die Geschwindigkeit der Sterne lässt sich aus der Rotverschiebung der Farben ihres Spektrums ermitteln (Doppler-Effekt). Aufgrund der Tatsache, dass MUSE in jedem Bildpunkt ein hochwertiges Spektrum aufnimmt, eignet sich das Instrument ideal für solche Messungen. Erste Studien der Bewegungen von Sternen in der Nähe eines supermassiven schwarzen Lochs ergaben, dass ihre Bahnen viel komplizierter als erwartet sind. Mit MUSE sollen solche Studien in größerem Maßstab durchgeführt werden, um Erkenntnisse über die Eigenschaften massereicher schwarzer Löcher und ihren Einfluss auf die Entwicklung von Galaxien zu gewinnen.

    Frühphasen der Sternentwicklung

    Protostar HH-34 in Orion
    Protostar HH-34 in Orion
    Three-colour composite of the young object Herbig-Haro 34 (HH-34). Credits: ESO

    Kurz nach ihrer Entstehung erzeugen Sterne gewaltige Jets und Winde. Die Jets, zwei schmale in entgegengesetzter Richtung mit extrem hoher Geschwindigkeit aus dem Stern schießende Strahlen aus Atomen, sind eine eindrucksvolle und gleichsam rätselhafte Erscheinung bei der Sternentstehung. Die spektakulären Fontänen aus heißem Gas, die aus den Polen des entstehenden Sterns austreten, sind der sichtbare Teil einer komplexen Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Sterns, seiner Hülle aus ionisiertem Gas sowie Staub und Gas aus der Umgebung des Sterns. MUSE eröffnet ungeahnte Möglichkeiten für die Analyse und Modellierung solcher Jets und Winde. Auf einer Reihe aktueller Forschungsgebiete sind Durchbrüche zu erwarten, etwa beim Verständnis der Knoten und Verwerfungen, die in manchen Jets beobachtet wurden und bisher nicht erklärt werden können oder bei bei der Frage, wie genau die Jets aus dem Stern ausbrechen.

    Planeten und kleine Körper im Sonnensystem

    The Hyakutake comet in 1996
    The Hyakutake comet in 1996
    Credits: NASA

    Obwohl Beobachtungen des Sonnensystems mit Teleskopen nicht die Qualität direkter Messungen durch Raumsonden erreichen, wird MUSE über eine Reihe von Objekten neue Informationen von unschätzbarem Wert liefern. Die Atmosphären der Riesenplaneten (Jupiter, Saturn, Neptun und Uranus) zeigen jahreszeitliche Variationen. Mit MUSE wird es möglich sein, ihren zeitlichen Ablauf zu messen. Ebenso kann die vulkanische Aktivität auf der Oberfläche des Jupitermondes Io, die vom starken Gravitationsfeld Jupiters „geheizt“ wird, systematisch gemessen werden. Während Missionen von Raumsonden lange im Voraus geplant werden müssen, kann MUSE sofort auf sporadisch auftretende und nicht vorhersehbare Ereignisse wie die Entdeckung eines Kometen reagieren und unmittelbar Daten liefern. MUSE kann Daten liefern, die Licht auf die chemischen und physikalischen Prozesse werfen, die auf einem Kometen bei der Annäherung an die Sonne stattfinden.