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FORSCHUNG/419: Kohoutek 4-55 - Ein seltsam geformter Planetarischer Nebel (SuW)


Sterne und Weltraum 3/10 - März 2010
Zeitschrift für Astronomie

Kohoutek 4-55
Ein seltsam geformter Planetarischer Nebel

Von Kurt Birkle


Knapp östlich des Pelikannebels im Sternbild Schwan liegt ein unscheinbarer Planetarischer Nebel, dessen Form einer Spiralgalaxie ähnelt. Dieses Objekt namens Kohoutek 4-55 repräsentiert ein ausgesprochen kurzes Durchgangsstadium gegen Ende der Entwicklung eines sonnenähnlichen Hauptreihensterns. Wie kommt seine seltsame Form zustande?


Das Objekt im Bild rechts unten ähnelt auf den ersten Blick einer Galaxie, die eventuell gerade eine Phase heftiger Störungen durchläuft. Es ist jedoch kein Sternsystem, sondern ein Planetarischer Nebel (PN). Er wird unter den Katalogbezeichnungen K4-55 und PN 84.2+1.0 geführt. Die zweite Bezeichnung kennzeichnet die Objektart und die Position am Himmel in galaktischen Koordinaten: 84,2 Grad galaktische Länge und 1,0 Grad galaktische Breite. Das ist mitten im Band der Milchstraße im Sternbild Schwan (lateinisch: Cygnus), nur ein Grad nördlich der galaktischen Äquatorebene.

Die Katalogbezeichnung K4-55 besagt, dass der Nebel von Lubos Kohoutek entdeckt wurde und in dessen Liste Nummer 4 - in der er die seinerzeit erst vorläufig als Planetarische Nebel klassifizierten Objekte verzeichnete - die Nummer 55 trägt. Den Katalog erstellte Kohoutek im Jahr 1970 an der Sternwarte Hamburg-Bergedorf. Er nutzte dazu Spektralplatten, die er am dortigen 80-Zentimeter-Schmidt-Spiegel mit einem Objektivprisma im roten Spektralbereich fotografiert hatte. Mit dieser Beobachtungstechnik lassen sich Objekte, die besonders stark im Licht der roten H-alpha-Linie des Wasserstoffs strahlen, relativ leicht von Tausenden anderer Sternspektren unterscheiden. Zum Auffinden von Planetarischen Nebeln ist dies eine nützliche Methode, und das nicht nur für diese Objektklasse. Den Schmidt-Spiegel baute die Firma Zeiss Jena. Er nahm im Jahr 1955 seinen Dienst auf. In den 1980er und 1990er Jahren betrieb ihn das Max-Planck-Institut für Astronomie nach technischer Renovierung und auf einer neuen Montierung an der damals noch jungen Calar-Alto-Sternwarte in Spanien.

Wie unscheinbar sich die meisten der rund 1800 in unserer Milchstraße bisher bekannten Planetarischen Nebel auf großflächigen Übersichtsaufnahmen ausnehmen, zeigen die große Abbildung oben und der vergrößerte Ausschnitt darunter. Auf der Originalaufnahme, einem 20 x 25 Zentimeter großen Farbfilm-Dia, ist K4-55 nordwestlich des Pelikannebels mit dem bloßen Auge kaum von einem Sternpunkt zu unterscheiden; er fiel nur durch seine intensiv rote Farbe auf, wie sie bei Sternen selten vorkommt. Erst unter der Lupe zeigte der rote Punkt eine geringfügig ausgedehntere Struktur als ein vergleich bar helles Sternbild. Zu sehen ist im Wesentlichen ein heller Ring. Dieses Objekt darf im Übrigen nicht mit einem anderen roten Nebelfleck verwechselt werden, der fast ein halbes Grad südlicher liegt und deutlich größer ist. Dieser ist eine kompakte HII-Region, also eine Wolke ionisierten Wasserstoffs, mit der Bezeichnung GN 20.43.9 im Atlas Galaktischer Nebel von Thorsten Neckel und Hans Vehrenberg.


Lubos Kohoutek

Bei seiner in mehreren Abschnitten über einige Jahrzehnte hinweg erfolgten Durchmusterung der Milchstraße entdeckte Lubos Kohoutek (siehe Bild unten), der in diesen Tagen seinen 75. Geburtstag beging, nahezu 300 Planetarische Nebel. Sie wurden in den sechs mit K1 bis K6 bezeichneten Listen veröffentlicht. Kohoutek arbeitet seit 1970 ständig an der Hamburger Sternwarte, nachdem er in der Folge des gewaltsamen politischen Endes des »Prager Frühlings« seine tschechische Heimat verlassen hatte. Ebenso wie ihm erging es manch anderem seiner dortigen, später gleichfalls weltbekannt gewordenen Astronomenkollegen.

Planetarische Nebel und ihre Zentralsterne waren und sind eines seiner Hauptforschungsgebiete. Ein anderes ist die interplanetare Materie, vor allem Kleinplaneten und Kometen. Kometen hat er bekanntlich mehrere entdeckt, allen voran den nach ihm benannten aus dem Jahr 1973. Kleinplaneten entdeckte er viele Dutzende. Auch der Kleinplanet (1850) Kohoutek ist nach ihm benannt. Lubos Kohoutek gilt als einer der großen Beobachter und astronomischen Entdecker der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts.

Bei einer ganzen Reihe neuentdeckter Planetarischer Nebel erweist sich bei genauerer spektroskopischer Untersuchung, er dass sie doch keine sind. Vielmehr lassen sie sich anderen Nebeltypen, wie etwa kompakten HII-Regionen oder Reflexionsnebeln, zuordnen. Das ist nicht verwunderlich, da sie sich zunächst oft kaum von Sternscheibchen unterscheiden lassen, insbesondere ohne Kenntnis weiterer typischer physikalischer Eigenschaften. Kohoutek und andere Entdecker legten deshalb ihre Listen vorsichtshalber als vorläufige Kataloge an, in denen die Planetarischen Nebel noch zu bestätigen sind. Meist lässt sich erst durch ihr Spektrum ihre Natur endgültig belegen. Die Planetarischen Nebel zeigen viele für solche Objekte charakteristische Emissionslinien, darunter eine Reihe so genannter verbotener Linien.

Frank Gieseking schrieb dazu in den Jahren 1983-1985 für Sterne und Weltraum eine umfangreiche Artikelserie mit insgesamt acht Beiträgen, in der er die physikalischen Bedingungen im hochverdünnten Gas der Hüllen Planetarischer Nebel und das Entstehen ihrer Linienspektren im Strahlungsfeld der ultravioletten Photonen der mehr als 50.000 Kelvin heißen Zentralsterne klar und ausführlich beschreibt. Diese Artikelserie findet sich kostenfrei unter den Weblinks.


Kohoutek 4-55

Das Objekt Kohoutek 4-55 bestand diese spektrale Prüfung als »echt«. Aber damit war noch nicht viel über seine Eigenschaften bekannt; die Spezialisten hatten mit anderen, längst als gesichert geltenden Planetarischen Nebeln genug zu tun. Zwei Dinge kann man indes schon aus der bloßen Anschauung dieses Objekts heraus zu sagen wagen. Erstens: K4-55 scheint weit hinter dem ausgedehnten, sich am Himmel über mehr als drei Grad erstreckenden Nordamerika-Pelikan-Nebelkomplex zu liegen. Dessen Entfernung bestimmten Thorsten Neckel und Mitarbeiter im Jahr 1980 zu höchstens 600 Lichtjahren. Aber wie weit ist K4-55 entfernt? Darüber gingen die Abschätzungen zunächst weit auseinander.

Gieseking macht in seinen SuW-Artikeln deutlich, warum die Entfernungen von Planetarischen Nebeln besonders schwierig zu bestimmen sind. Der Hauptgrund ist, dass sich die Entfernungen der anregenden Sterne des Nebels nicht mit den üblichen Methoden bestimmen lassen. Diese Zentralsterne strahlen wegen ihren extrem hohen Oberflächentemperaturen weit überwiegend im ultravioletten Spektralbereich, und diese energiereiche Strahlung wird wiederum weitgehend im Planetarischen Nebel selbst durch die Ionisation des Nebelgases absorbiert. Deshalb sind viele Zentralsterne von Planetarischen Nebeln im optischen Wellenlängenbereich, wenn überhaupt, nur schwach sichtbar, und das trotz - oder gerade wegen - ihrer hohen Temperaturen.

Im Gegensatz zu den fotometrischen Standardverfahren der Entfernungsmessung normaler Sterne liefert also der geringe Strahlungsanteil der Zentralsterne von Planetarischen Nebeln im optischen Bereich keine repräsentative Aussage zu ihrer wahren Leuchtkraft. Damit fehlt diese wesentliche Information zur Ableitung ihrer Entfernungen oder ist zumindest stark verfälscht. Im Falle von K4-55 kommt eine zweite Erschwernis hinzu: Der Nebel besitzt mindestens zwei verschiedene Komponenten vermutlich unterschiedlichen Alters. Da ist zum einen die spiralige Struktur mit etwa 80 Bogensekunden Ausdehnung, zum anderen der helle zentrale Ring mit zehn bis zwölf Bogensekunden Durchmesser.

In den 1990er Jahren nahmen schließlich Martin A. Guerrero, Arturo Manchado und Miquel Serra-Ricart vom Instituto de Astrofisica de Canarias auf Teneriffa im Rahmen ihres umfangreichen Untersuchungsprogramms von Planetarischen Nebeln des nördlichen Himmels Kohoutek 4-55 mit schwerem Gerät unter die Lupe. Zunächst bestimmten sie mit indirekten fotometrischen Methoden genauer als bisher seine Entfernung zu rund 4500 Lichtjahren. Mittels hochaufgelöster Spektren vom 4,2-Meter-William-Herschel-Teleskop im Observatorium auf dem Roque de los Muchachos auf La Palma und vom 3,5-Meter-Teleskop auf dem Calar Alto konnten sie außer unterschiedlichen Elementhäufigkeiten in den verschiedenen Nebelteilen vor allem deren kinematische Struktur durch Radialgeschwindigkeitsmessungen in wesentlichen Teilen aufklären.

Das wichtigste Ergebnis geht dabei aus der obigen Grafik hervor: Hier sind entlang der horizontalen Achse die Radialgeschwindigkeiten relativ zum Nebelzentrum aufgetragen. Sie wurden als Dopplereffekt aufgrund der Wellenlängenverschiebungen der vom Nebel emittierten hellen verbotenen Emissionslinie des ionisierten Stickstoffs [NII] bei 658,4 Nanometer gemessen. Dazu legten die Forscher den Spektrografenspalt einmal in Ost-West-Richtung über die Nebelmitte und maßen die Linienverschiebungen entlang des Spalts bis in 50 Bogensekunden Distanz vom Nebelzentrum. Diese Spaltpositionen sind vertikal an der linken Diagrammhälfte (Ost-West) aufgetragen.

Dasselbe führten Manchado und Kollegen in Nord-Süd-Richtung durch. Das Ergebnis ist in der rechten Diagrammhälfte (Nord-Süd) dargestellt. Wie man sofort erkennt, gibt es außerhalb der Nebelmitte an ein und derselben Spaltstelle sowohl positive, also von uns weggerichtete, als auch negative, auf uns zu gerichtete Radialgeschwindigkeiten. Die Spektrallinie ist demnach dort aufgespalten in eine rotverschobene Komponente, die von Nebelteilen stammt, die sich von uns wegbewegen, und in eine blauverschobene Komponente von Nebelbereichen, die sich auf uns zu bewegen. Dabei treten diese entgegengesetzt verlaufenden Bewegungen nicht an beliebigen Stellen in den beiden Schnitten des Spektrografenspalts über den Nebel auf. Sie zeigen vielmehr eine wohlgeordnete Struktur: In der Nebelmitte und in dem hellen Ring bis etwa sechs Bogensekunden Distanz vom Zentrum bestehen nur geringe Radialgeschwindigkeiten von wenigen Kilometern pro Sekunde. Mit zunehmendem Abstand steigen dann die Geschwindigkeiten in entgegengesetzten Richtungen nahezu symmetrisch bis auf plus und minus zwanzig Kilometer pro Sekunde in Nord-Süd- und bis auf 50 Kilometer pro Sekunde in Ost-West-Richtung an.


Zwei Kelche

Diese entlang zweier zueinander senkrechter Schnitte durch den Planetarischen Nebel gemessenen symmetrischen Bewegungen des Nebelgases lassen sich leicht ergänzen zu dem dreidimensionalen Bild zweier entgegengesetzt orientierter Becher oder Kelche, deren Öffnungen auf uns zu beziehungsweise von uns weg gerichtet sind. Ein schönes Beispiel hierfür ist der Stundenglasnebel MyCn 18 (Bild unten), dessen Orientierung und Morphologie uns die Vorstellung zweier offener Kelche besser vermittelt.

Die Kelche von Kohoutek 4-55 stehen im Bild auf Seite 39 unten auf beziehungsweise hängen an der Papierebene. In den Kelchschalen strömt die Nebelmaterie mit zunehmender Geschwindigkeit von der Bodenmitte, wo der Zentralstern sitzt, nach außen. Mit anderen Worten, wir haben es mit einem bipolaren Nebel zu tun. Diese kinematische Struktur kennt man von vielen jungen, gerade entstehenden Sternen, aber auch von einigen wenigen Planetarischen Nebeln. Der innere helle Ring von K4-55 scheint dabei eine wichtige Rolle zu spielen. Viele Einzelheiten, etwa die Entstehung dieses Ringes, sind noch unklar. Der Ring, durch den das aus dem Zentrum strömende Gas in die beiden symmetrischen Flügel (englisch: lobes) geleitet wird, scheint eine flache Scheibe oder ein Torus zu sein. Er ist offenbar keine geschlossene hohle Schale.

Es sei noch nachgetragen, dass K4-55 zumindest außerhalb des hellen Ringes teilweise transparent ist, sonst würde der jenseits der Ringebene von uns wegströmende Nebelflügel nicht als rotverschobene Linienkomponente der Stickstoff-Emissionslinie sichtbar sein.


Wie alt ist Kohoutek 4-55?

Anhand der gemessenen Entfernung, Geschwindigkeiten und Dimensionen von K4-55 schätzten Guerrero und Mitarbeiter das kinematische Alter der beiden Nebelflügel auf 4300 Jahre - ein Wert, der gut in den Bereich von etwa 1000 bis einigen 10 Jahren passt, in dem die meisten Planetarischen Nebel liegen. Das kinematische Alter ist der lineare Nebelradius geteilt durch die mittlere Expansionsgeschwindigkeit. Ein Planetarischer Nebel ist also astronomisch gesehen ein ausgesprochen kurzes Durchgangsstadium bei der Entwicklung eines sonnenähnlichen Hauptreihensterns gegen Ende seiner Laufbahn.

Nach dem Aufleuchten als Roter Riese und dem Stadium als Veränderlicher (womöglich vom Mira-Typ) gerät der gealterte Stern über das kurze Feuerwerk eines mehr oder weniger spektakulären Planetarischen Nebels hin zum Zustand des langsamen Abkühlens und Verdämmerns als Weißer Zwerg. Schon im Innern des Roten Riesen beginnt sich der Weiße Zwerg zu bilden. Wenn dann vom Zentralstern des Nebels keine Materie mehr abgestoßen wird und sich der expandierende Nebel selbst in wenigen Jahrzehntausenden im interstellaren Medium allmählich auflöst, bleibt der Weiße Zwerg als kompakter Rest übrig.

Wie die vielfältigen Strukturen der Planetarischen Nebel im Einzelnen entstehen, ist noch weitgehend unklar. Inhomogenitäten bei der Materieabstoßung vom Zentralstern, der Einfluss von Magnetfeldern und ein mögliches Doppelsystem als Zentralstern mögen dabei eine Rolle spielen. Die spiralig erscheinende Form der beiden Flügel von Kohoutek 4-55 scheint eher ein sekundäres Phänomen zu sein. Ein ähnliches Aussehen ist auch bei einigen anderen Planetarischen Nebeln bekannt, man denke nur an NGC 7293, den Helixnebel im Sternbild Wassermann. Bei K4-55 geht die Form eventuell auf unvollständig oder inhomogen ausgebildete Strömungskelche zurück, also der beiden Flügel des Planetarischen Nebels, in Verbindung mit geometrischen Projektionseffekten auf die Himmelssphäre. Als Grund hierfür diskutieren die Astronomen eine Rotation der zentralen Nebelscheibe oder des hellen Rings - hier ist noch viel Raum für zukünftige Forschungen.


Literaturhinweis
Guerrero, M. A., Manchado, A., Serra-Ricart, M.: K4-55: A bipolar planetary nebula observed near pole-on. In: Astrophysical Journal 456, S. 651-661, 1996. Weblinks zum Thema: www.astronomie.de/artikel/1019773


Kurt Birkle (8.1.1939-1.1.2010) kam schon vor der Gründung des Max-Planck-Instituts für Astronomie im Jahr 1969 als Doktorand an die Landessternwarte in Heidelberg und wechselte später zum neu gegründeten MPIA. Er war an der mehrjährigen Suche nach einem geeigneten Standort für das geplante Observatorium im Mittelmeerraum maßgeblich beteiligt. Nach der Entscheidung für den Berg Calar Alto in Südspanien leitete er dort zusammen mit spanischen Kollegen den Aufbau des DeutschSpanischen Astronomischen Zentrums (DSAZ) mit seinen vier großen Teleskopen. Dessen offizielle Eröffnung im Jahr 1979 markiert die Entstehung eines nationalen Observatoriums, von dem die deutsche Astronomie seit einem halben Jahrhundert geträumt hatte.

In seiner Funktion als lokaler Leiter für die deutsche Seite des DSAZ betreute Kurt Birkle bis 1998 zahllose Gastbeobachter vom Königstuhl und aus Forschungsinstituten in ganz Deutschland und baute gute Beziehungen zur spanischen Astronomie und zu den dortigen Wissenschafts- und lokalen Behörden auf. Seine eigenen wissenschaftlichen Interessen galten einerseits den Kometen, andererseits den aktiven Galaxien; seine Himmelsaufnahmen mit dem Schmidt-Teleskop fanden weite Verbreitung.

Nach seiner Pensionierung im Jahr 2003 baute er seit dem Jahr 2005 zusammen mit Kollegen der Landessternwarte und mit Unterstützung der Klaus Tschira Stiftung ein digitales elektronisches Archiv auf, in dem das im Laufe der Jahre auf dem Königstuhl und dem Calar Alto gewonnene fotografische Material für langfristige Studien verfügbar ist.

Kurt Birkle starb durch einen tragischen Unfall am Neujahrstag.



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Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. S. 38-39: Der Wolkenkomplex W80 mit Nordamerika- und Pelikannebel dominiert diese Himmelsregion im Sternbild Schwan. Auch im rötlichen Licht, aber sehr unauffällig, leuchtet der winzige Planetarische Nebel Kohoutek 4-55.

Abb. S. 39: Der Planetarische Nebel Kohoutek 4-55 offenbart in dieser CCD-Aufnahme im roten Spektralbereich seine einer Spiralgalaxie ähnelnde Form. Die in Falschfarben dargestellte Aufnahme entstand mit 300 Sekunden Belichtung am 19. Oktober 2000 mit dem 3,5-Meter-Teleskop auf dem Calar nuten Kantenlänge, Norden ist oben, Osten links.

Abb. S. 40: Lubos Kohoutek steht hier im Jahr 1980 Leitrohr des 80-Zentimeter-Schmidt-Teleskops der Calar-Alto-Sternwarte. Er arbeitete mit dem Gerät schon, als es noch zur Sternwarte Hamburg-Bergedorf gehörte.

Abb. S. 41 oben: Die Geschwindigkeitsverteilung entlang des in Ost-West- (links) und Nord-Südrichtung (rechts) über das Nebelzentrum gelegten Spektrografenspalts liefert Informationen über die dreidimensionale Form der leuchtenden Nebelmassen. Dazu maßen die Astronomen die Linienverschiebungen beziehungsweise -aufspaltungen der Stickstoff-Emissionslinie [NII] bei der Wellenlänge 658,4 Nanometer. Sie sind ein Maß für die aus dem Dopplereffekt herrührenden Geschwindigkeiten. Der linke Teil des Diagramms zeigt, dass die beiden Flügel des Nebels nicht genau auf uns gerichtet, sondern in Ost-West-Richtung um etwa 15 Grad nach Osten gekippt sind.

Abb. S. 41 unten: Der Stundenglasnebel MyCn 18 ist ein junger Planetarischer Nebel in einer Distanz von rund 8000 Lichtjahren. Die Aufnahme mit der Weitfeld-Planetenkamera 2 des Weltraumteleskops Hubble zeigt deutlich die beiden offenen Kelche, deren Ursprung im Zentrum des Objekts liegt. Die Morphologie von Kohoutek 4-55 dürfte dem Stundenglasnebel recht ähnlich sein.

Abb. S. 42 unten: Der Planetarische Nebel Kohoutek 4-55 war das letzte Beobachtungsziel der Weitfeldplanetenkamera 2 des Weltraumteleskops Hubble vor der letzten Wartungsmission.


© 2010 Kurt Birkle, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg


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Quelle:
Sterne und Weltraum 3/10 - März 2010, Seite 38 - 42
Zeitschrift für Astronomie
Herausgeber:
Prof. Dr. Matthias Bartelmann (ZAH, Univ. Heidelberg),
Prof. Dr. Thomas Henning (MPI für Astronomie),
Dr. Jakob Staude
Redaktion Sterne und Weltraum:
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veröffentlicht im Schattenblick zum 6. Mai 2010