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Lexikon der Astronomie: Lichtkurve

Ein sehr gebräuchliches Diagramm in der Astronomie, dass die Strahlungsintensität einer kosmischen Quelle (auf der y-Achse) über der Zeit (auf der x-Achse) darstellt. Motiviert ist das ganz einfach dadurch, weil die Astronomen an Schwankungen der Helligkeit des Objekts interessiert sind. Lichtkurven (engl. light curves) eignen sich bestens, um Studien der Variabilität durchzuführen. So folgen Eigenschaften der Quelle, wie ihre Ausdehnung (Stichwort: Lichtlaufzeit) oder ihre physikalische Natur.

Wer die Wahl hat

Es bieten sich hier vielfältige Möglichkeiten: so können Strahlungsintensitäten bei verschiedenen Wellenlängen oder Energien der Strahlung benutzt werden. Der Astronom misst entsprechend Lichtkurven im Bereich der optischen Strahlung, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung etc.
Als Maß für die Helligkeit bietet die Astrophysik ebenfalls eine Reihe von Größen an: so eignen sich für Lichtkurven die Leuchtkraft, der spektrale Fluss, der Gesamtfluss oder die bolometrische Helligkeit.

Lichtkurven von Sternen

Astronomen nehmen die Lichtkurven von einer Vielzahl kosmischer Quellen auf. Naheliegend sind Sterne. Kein Stern gibt einen konstanten Strahlungsstrom ab, sondern zeigt je nach Masse, Aktivität und Zusammensetzung (Metallizität) charakteristische Merkmale. Lichtkurven helfen dabei die Sterne in ganz unterschiedliche Typen von Veränderlichen einzusortieren.

Lichtkurven von Explosionen

Interessant sind auch kurzzeitige Ereignisse, die einen steilen Helligkeitsanstieg zur Folge haben. Diese Form nennt man Ausbrüche (engl. bursts) und wird bei Nuklear-Explosionen oder ganzen Sternexplosionen beobachtet. Entsprechend fallen in diese Kategorie von Ereignissen die Novae, Supernovae, Hypernovae und Gamma Ray Bursts. Unter dem Eintrag Zeitdilatation wird als Beispiel für eine Lichtkurve, die einer Supernova Typ Ia gezeigt (explodierende Weiße Zwerge).

Lichtkurven von speziellen Vorgängen

Anstiege in der Lichtkurve werden auch beobachtet, wenn ein Stern sich zu nahe an ein supermassereiches Schwarzes Loch im Herzen einer inaktiven Galaxie traut. Dann wird der Stern von immensen Gezeitenkräften zerrissen, was unter Umständen als Helligkeitsanstieg beobachtet werden kann. Der Grund: durch die unerwartete Mahlzeit für das Loch steigt auch die Leuchtkraft infolge der Akkretion rasant, aber nur für gewisse Zeit an.
Die Quasi-periodischen Oszillationen (QPOs) bezeichnen gerade ein charakteristisches Auf und Ab in Lichtkurven. Sie werden häufig bei Röntgendoppelsternen beobachtet und hängen mit Prozessen in der Akkretionsfluss zusammen – z.B. mit einer Rotationsbewegung, mit Epizykelfrequenzen oder mit dem Lense-Thirring-Effekt.

Mathematische Werkzeuge in der Analyse

Die Astronomen betrachten Lichtkurven nicht einfach nur als Intensität-Zeit-Diagramme; sie verwenden auch anspruchsvollere Analysetechniken wie die Fourier-Transformation (eine spezielle Integraltransformation, die auch in der Nachrichtentechnik breite Anwendung findet). Im so genannten Fourier-Raum heißen die Lichtkurven dann Leistungsspektren oder Power density spectra (kurz oft power spectra). Der Vorteil ist, dass charakteristische Perioden in der Lichtkurve dann als Peak im Leistungsspektren erscheinen. So sind z.B. QPO-Frequenzen direkt abzulesen und man kann versuchen sie z.B. mit Keplerfrequenzen (mit der Umlaufperiode) oder anderen charakteristischen Frequenzen zu interpretieren.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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