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Entfernungsbestimmung der Andromedagalaxie (M31)

Nach den Entdeckung von nebeligen Objekten am Himmel durch Charles Messier und anderen war lange unklar, welcher Natur diese sind. Mit der aufkommenden Fotografie Ende des 19. Jhdts, zeigte sich die Formenvielfalt dieser Erscheinungen. Gerade um die sogenannten Spiralnebel entbrannte eine Diskussion, ob sie zu unserer Milchstraße gehörten oder eigenständige Sternsysteme sind.

Edwin Hubble beschäftigte sich in den 1920 er Jahre mit der Fragestellung, welcher Natur die Spiralnebel haben. Dabei spielte die Bestimmung der Entfernung der Spiralnebel eine zentrale Rolle. Als ich vor einiger Zeit ein Bild von M31 Edwin Hubbles sah, auf dem ein Stern mit der Bemerkung VAR! (für variabler Stern, später "H1") versehen war, da kam in mir die Frage auf, ob ich diesen Stern (und einen zweiten Stern H3), seinen Lichtwechsel und somit seine Entfernung bestimmen kann. Im Forum-Stellarum suchte ich nach Mithilfe und fand sie auch in Martin Fischer und Michael Peter. Beide steuerten Aufnahmen in den vergangenen Monaten zur Lösung der Aufgabe bei.

Zentrum M31 mit Cepheiden H1 und H3

Was war zu messen? Zum einen war die Periode des Lichtwechsels eines Sternes in der Andromedagalaxie in Tagen heraus zu finden. Die sogenannten Cepheiden (benannt nach einem Stern im Sternbild Cepheus) haben eine besondere Eigenschaft: ihr Lichtwechsel ist in einer ganz bestimmten Abhängigkeit von ihrer absoluten Helligkeit. Kennt man also die Periode eines Cepheiden, so weiß man, wie hell er in Wirklichkeit ist. Zum zweiten galt es seine scheinbare Helligkeit zu bestimmen, das heißt die Helligkeit unter der uns der Stern auf der Erde erscheint. Aus dem Unterschied von scheinbarer und absoluter Helligkeit lässt sich die Entfernung bestimmen.

Unter den vielen Cepheiden in M31 (vgl. Walter Baade and Henrietta Swope, Variables in the Andromeda Galaxy - Fields I and III, 1965) ist der Stern H1 besonders hell. Diesen wählte ich als Zielobjekt für unsere Untersuchung aus. Als zweiten Kanditaten wählte ich H3 aus, und ein dritter Kandidat fand sich im ausgewählten Bereich von M31 (dazu weiter unten mehr). Nach einer kurzen Suche, ähnlich der "Stecknadel im Heuhaufen", konnten alle Sterne in den Aufnahmen des oben genannten Artikels und auf den eigenen Aufnahmen identifiziert werden. Wir konnten ans Werk, sprich an Teleskop und Kamera gehen.

Es ergab sich für den Stern H1 folgende Lichtkurve über die letzten 70 Tage:

Lichtwechsel des Cepheiden H1 in M31 vom 30.8.-6.11.2011

Die Periode läßt sich aus dem Diagramm zu etwa 31 Tagen ablesen (wenn man die Linie nimmt, wären es 31,3 - aber ich will nicht die Daten überstrapazieren), was mit dem Wert bei Baade (1965) von 31,38 gut übereinstimmt. Die scheinbare Helligkeit findet sich bei 19 mag.
Auf wikipedia ist die Periodenleuchtkraftbeziehung für Cepheiden nach M. W. Feast und R. M. Catchpole (Hipparcos-Projekt) nach der Formel angegeben:
Absolute Helligkeit M= -2,81+log(P)-1,43
Mit der scheinbaren Helligkeit m ergibt sich der Abstand zu
D= 10 ^ (m-M+5)/5
Mit der scheinbaren Helligkeit von 19 mag und absoluten Helligkeit -5,6 ergeben sich für die Entfernung der Andromedagalaxie etwa 2,7 Mio Lichtjahre. Dieser Wert liegt im Bereich dessen, was heute für die Distanz von M31 angegeben wird. Ein Ergebnis, das mich sehr beeindruckte!

Für eine gute Lichtkurve des Sternes H3 reichte es nicht ganz. Sie "zappelt" etwas. H3 ist etwa eine halbe Größenklasse schächer und ist vielleicht zu sehr gerötet von - vermutlich - Staub und Gas in der Andromedagalaxie selbst. Oder es liegt am "Metallgehalt" des Cepheiden, dass seine Lichtkurve anders interpretiert werden müsste. Mit einer gutmütigen Erfassung der Daten von H3, kommt bei der Distanz zu M31 ein leicht höheres Ergebnis heraus. Dabei macht der Effekt des kürzeren Lichtwechsels nur 0,05 mag in der absoluten Helligkeit M aus, währenddessen die scheinbare Helligkeit m um 0,5 mag niedriger liegt! Aus diesem Grund gebe ich dem Ergebnis von H1 den Vorzug. Noch ein dritter Cepeide - H18 - fand sich im Bildfeld unserer Aufnahmen. Doch er ist noch lichtschwächer als H3 und seine Kurve war nur bruchstückhaft zu bestimmen.

Lichtwechsel des Cepheiden H3 in M31 vom 30.8.-6.11.2011

Unsere Aufnahmen von M31 hatten typisch eine Belichtungszeit von etwa 30 Minuten. Manchmal auch darunter. Die meisten Bilder entstanden an 10"-Newton Teleskopen mit einer Brennweite von 1.200 mm und Kameras, die mit dem CCD-Chip KAF 8300 von Kodak bestückt sind.