Wie Astronomen der NASA 3D-Visualisierungen von explodierten Sternen
erstellen können.

Astronomen und Visualisierungsspezialisten des NASA-Programms „Universe of Learning“ haben den sichtbaren, den Infrarot- und den Röntgenblick der großen Observatorien der NASA kombiniert, um eine dreidimensionale Darstellung des dynamischen Krebsnebels, der zerfetzten Überreste eines explodierten Sterns, zu schaffen.

Die Multiwavelenght-Computergrafik-Visualisierung basiert auf Bildern des Chandra-Röntgenobservatoriums und der Weltraumteleskope Hubble und Spitzer.

Das etwa vierminütige Video seziert die verschachtelte Struktur aus der dieser Sternenkörper besteht und gibt den Zuschauern ein besseres Verständnis der extremen und komplexen physikalischen Prozesse, die den Nebel antreiben. Der Motor, der das gesamte System antreibt, ist ein Pulsar, ein sich schnell drehender Neutronenstern, der superdichte, zerquetschte Kern des explodierten Sterns. Der winzige Dynamo sprengt 30 Mal in der Sekunde mit unglaublicher Uhrwerkspräzision blasende Strahlungsimpulse aus.

Die Visualisierung wurde von einem Team am Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, dem Caltech/IPAC in Pasadena, Kalifornien, und dem Center für Astrophysik in Cambridge, Massachusetts, erstellt. Es wird auf der Tagung der American Astronomical Society in Honolulu. Hawaii, präsentiert werden. Der Film steht Planetarien und anderen Zentren des informellen Lernens weltweit zur Verfügung.

„Zweidimensionale Bilder eines Objekts zu sehen, insbesondere von einer komplexen Struktur wie dem Krebsnebel, gibt keine gute Vorstellung von seiner dreidimensionalen Natur“. Erklärte STScI-Visualisierungswissenschaftler Frank Summers, der das Team leitete, das den Film entwickelte. „Mit dieser wissenschaftlichen Interpretation wollen wir den Menschen helfen, die verschachtelte und miteinander verbundene Geometrie des Krebsnebels zu verstehen. Das Zusammenspiel der Multiwavelenght-Observationen beleuchtet all diese Strukturen. Ohne die Kombination von Röntgen-, Infrarot- und sichtbarem Licht erhält man nicht das volle Bild.“

Bestimmte Strukturen und Prozesse, die durch den Pulsarmotor im Herzen des Nebels angetrieben werden, sind bei bestimmten Wellenlängen am besten zu sehen.

Der Film beginnt damit, dass der Krebsnebel im Kontext gezeigt wird, wobei seine Lage im Sternbild Stier genau bestimmt wird. Diese Ansicht zoomt heran, um die Hubble-, Spitzer- und Chandra-Bilder des Krebsnebels zu präsentieren, wobei jeweils eine der verschachtelten Strukturen im System hervorgehoben wird. Das Video beginnt dann einen langsamen Aufbau der dreidimensionalen Röntgenstruktur, die den Pulsar und eine beringte Scheibe aus energetisiertem Material zeigt. Zudem fügt es Strahlen von Teilchen hinzu, die von gegenüberliegenden Seiten des energetischen Dynamos abfeuern.

Als nächstes erscheint ein rotierendes Infrarotbild einer Wolke, die das Pulsarsystem umhüllt und durch Synchrotronstrahlung glüht. Diese besondere Form der Strahlung entsteht, wenn sich Ströme geladener Teilchen spiralförmig um Magnetfeldlinien winden. Es gibt auch Infrarotstrahlung von Staub und Gas.

Anschließend ist die sichtbar-leichte Außenhülle des Krebsnebels zu sehen. Diese Hülle aus glühendem Gas, die wie ein Käfig um das gesamte System herum aussieht, besteht aus tentakelförmigen Fäden aus ionisiertem Sauerstoff. Der vom Pulsar entfesselte Tsunami aus Teilchen drückt auf diese sich ausdehnende Trümmerwolke wie ein Tier, das am Käfig rüttelt.

Die Röntgen-, Infrarot- und sichtbaren Lichtmodelle werden am Ende des Films kombiniert, um sowohl eine rotierende dreidimensionale Multiwavelenght als auch das entsprechende zweidimensionale Multiwavelenght des Krebsnebels zu zeigen.

Die dreidimensionalen Strukturen dienen als wissenschaftlich fundierte Annäherungen zur Vorstellung des Nebels. „Die dreidimensionalen Ansichten jeder verschachtelten Struktur geben Ihnen eine Vorstellung von ihren wahren Dimensionen“, sagte Summers. „Um den Betrachtern zu ermöglichen, ein vollständiges mentales Modell zu entwickeln, wollten wir jede Struktur separat zeigen, von der Ringscheibe und den Düsen in starkem Relief, über die Synchrotronstrahlung als Wolke um diese herum und anschließend das sichtbare Licht als Käfigstruktur, die das gesamte System umgibt.“

Diese verschachtelten Strukturen sind eine Besonderheit des Krebsnebels. Sie zeigen, dass der Nebel kein klassischer Supernova-Überrest ist, wie einst allgemein angenommen wurde. Stattdessen wird das System besser als Pulsar-Wind-Nebel klassifiziert. Ein klassischer Supernova-Überrest besteht aus einer Druckwelle und Trümmern der Supernova, die auf Millionen von Grad erhitzt wurden. In einem Pulsarwindnebel besteht der innere Bereich des Systems aus Gas mit niedriger Temperatur, das durch die hochenergetische Synchrotronstrahlung auf Tausende von Grad erhitzt wird.

„Es ist wirklich über der Multiwavelenght-Struktur, dass man sauberer begreifen kann, dass es sich um einen Pulsarwindnebel handelt“, sagte Summers. „Dies ist ein wichtiges Lernziel. Man kann die Energie des Pulsars im Kern verstehen, der sich zur Synchotronwolke und anschließend weiter zu den Filamenten des Käfigs bewegt.“

Summers und das STScI-Visualisierungsteam arbeiteten mit Robert Hurt, leitender Visualisierungswissenschaftler am IPAC, an den Spitzer-Bildern, und Nancy Wolk, Bildverarbeitungsspezialistin am Chandra-Röntgenzentrum der CfA, an den Chandra-Bildern. Ihr erster Schritt war die Aufarbeitung der bisherigen Forschung am Krebsnebel, einem intensiv untersuchten Objekt, das sich aus einer Supernova aus dem Jahr 1054 von chinesischen Astronomen gebildet hat.

Ausgehend von den zweidimensionalen Hubble-, Spitzer- und Chandra-Bildern analysierte das Team zusammen mit Experten die komplexen verschachtelten Strukturen des Nebels und identifizierte die beste Wellenlänge zur Darstellung der einzelnen Komponenten. Die dreidimensionale Interpretation wird von wissenschaftlichen Daten, Wissen und Intuition geleitet, wobei künstlerische Merkmale die Strukturen ausfüllen.

Die Visualisierung gehört zu einer neuen Generation von Produkten und Erlebnissen, die vom Universe of Learning-Programm der NASA entwickelt wurden. Die Bemühen verbinden eine direkte Beziehungen zur Wissenschaft und den Wissenschaftlern der NASA Astrophysik-Missionen mit der Aufmerksamkeit auf die Bedürfnisse des Publikums, um es Jugendlichen, Familien und lebenslang Lernenden zu ermöglichen, grundlegende Fragen der Wissenschaft zu erforschen, zu erfahren, wie Wissenschaft gemacht wird und das Universum selbst zu entdecken.

Dieses Video demonstriert die Kraft der Multiwavelenght-Astronomie. Es hilft dem Publikum zu verstehen, wie und warum Astronomen mehrere Regionen des elektromagnetischen Spektrums nutzen, um unser Universum zu erforschen und zu lernen.

Vielen Dank für Ihren Besuch.