14.01.2018
The Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) at the Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona released its first batch of high-spectral resolution data to the scientific community. In a series of three papers in the European journal Astronomy & Astrophysics, the PEPSI team presents a new spectral atlas of the Sun, a total of 48 atlases of bright benchmark stars, and a detailed analysis of the chemical abundances of the 10-billion year old planet-system host Kepler-444.
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Spectral atlases are the fingerprints of stars and give insights into almost all of their physical properties like temperature, pressure, velocities and chemical composition. The first paper contains a new spectral atlas of the Sun and proves for the first time that a night-telescope instrument can reach a quality comparable to a specialized solar instrument. All solar and stellar spectra were taken with an unprecedented spectral resolution of λ/Δλ=250,000, a resolution equivalent to a 1/100th of the diameter of a hydrogen atom (λ being the wavelength and Δλ the smallest measurable separation of two wavelengths) and cover the entire optical and near-infrared light (from 383 to 914nm).
For the Sun several spectral time series with up to 300 individual spectra per day were pre-analyzed and are also provided to the community. "These data recover the well-known solar 5-minute oscillation at a peak of 3 mHz (5.5min) from the disk-averaged light with a radial-velocity amplitude of only 47 cm/s, an incredibly small velocity from a stellar point of view", says Prof. Strassmeier, PEPSI principal investigator and director of the Cosmic Magnetic Field branch at the Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP). The new atlas was also used to re-determine the abundance of Lithium in the Sun with very high precision. "Lithium is a key element for the nucleosynthesis in the universe and is also a tracer of mixing processes inside stars", explains Dr. Matthias Steffen, one of the project scientists. Three-dimensional dynamic model atmospheres and a full statistical treatment of the spectral properties of the lithium atom were applied to determine the solar abundance.
The 48 stellar atlases in the second paper include the northern Gaia benchmark stars as well as other Morgan-Keenan standard stars. Spectra of these targets were not available at the given resolution and signal-to-noise ratio (S/N) before. The latter quantity represents the photon noise relative to the signal strength from the star and thus the quality of the spectra. Previously available S/N for work on astrophysical parameters was typically several hundred at a spectral resolution λ/Δλ of at most 100,000. "PEPSI and the LBT provide S/N of several thousand at on average three times higher spectral resolution", says Ilya Ilyin, PEPSI’s project scientist. "With such numbers we have now the typical daytime solar-like spectrum quality available also for bright stars at night time", adds Strassmeier.
Finally, in the third paper, the star "Kepler-444", hosting five sub-terrestrial planets, was confirmed to be 10.5 billion years old, more than twice the age of our Sun and just a little bit younger than the universe as a whole. The star is also found being poor on metals. The chemical abundance pattern from the PEPSI spectrum indicates an unusually small iron-core mass fraction of 24% for its planets if star and planets were formed together. For comparison, terrestrial planets in the solar system have typically a 30% iron-core mass fraction. “This indicates that planets around metal-poor host stars are less dense than rocky planets of comparable size around more metal-rich host stars like the Sun”, explains Claude “Trey” Mack, project scientist for the Kepler-444 observation.
AIP-scientists in the PEPSI project that led to the first data release include Michael Weber, Matthias Steffen, Silva Järvinen, Matthias Mallonn, Claude Mack, Thorsten Carroll, Carsten Denker, Sydney Barnes, Daniel Sablowski, Engin Keles, Ekaterina Dineva, Alessandro Mott, and Gohar Harutyunyan.
The PEPSI instrument at LBT. Credit: AIP
The fingerprint of a star. Example from the new PEPSI atlases: the nearby planet-host star epsilon Eridani. Full resolution as pdf.Credit: AIP
Artificially colored spectrum of the solar twin star 18 Scorpii. Credit: AIP and M. Bergemann, MPIA
More information on PEPSI and the LBT:
Online data viewer:
see "Library" at https://pepsi.aip.de
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PEPSI: Erste Datenveröffentlichung
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Spektralatlanten sind die Fingerabdrücke von Sternen und zeigen deren astrophysikalische Eigenschaften wie Temperatur, Druck, Geschwindigkeiten und chemische Zusammensetzung. Die erste Veröffentlichung enthält einen neuen Spektralatlas der Sonne und zeigt zum ersten Mal, dass ein Instrument eines Nachtteleskops Spektren mit der Qualität eines spezialisierten Sonneninstruments erreichen kann. Alle solaren und stellaren Spektren wurden mit einer beispiellosen spektralen Auflösung von λ/Δλ=250,000 aufgenommen, das entspricht dem 1/100stel des Durchmessers eines Wasserstoffatoms (λ ist die Wellenlänge und Δλ der kleinste gerade noch auflösbare Abstand zweier Wellenlängen), und decken den gesamten optischen bis nahinfraroten Wellenlängenbereich ab (von 383 bis 914 nm).
Das Licht der Sonne wurde auch in mehreren spektralen Zeitreihen mit bis zu 300 Einzelspektren pro Tag analysiert. Die daraus entstandenen Datensätze stehen nun der Fachgemeinschaft ebenso zur Verfügung. "Unsere Sonne oszilliert mit einer Periode von 5 Minuten. Mit dem neuen Instrument konnten wir diese Auf- und Abwärtsbewegung der Sonnenoberfläche aus dem nicht-aufgelösten Sonnenscheibchen, wie bei einem weit entfernten Stern, mit einer Amplitude von 47 cm/s messen. Aus der Sicht eines Sternforschers eine geradezu unglaublich kleine Geschwindigkeit", erklärt Prof. Strassmeier, Hauptverantwortlicher von PEPSI und Direktor des Forschungsbereiches Kosmische Magnetfelder am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP). Der neue Atlas wurde auch verwendet, um die Häufigkeit von Lithium in der Sonne mit sehr hoher Präzision neu zu bestimmen. "Lithium ist ein Schlüsselelement für die Nukleosynthese im Universum und gleichzeitig ein Indikator für Mischprozesse in Sternen", erklärt Dr. Matthias Steffen, einer der Projektwissenschaftler. Dreidimensionale dynamische Modellatmosphären und eine vollständige statistische Behandlung der spektralen Eigenschaften des Lithiumatoms kamen zum Einsatz, um die Elementhäufigkeit in der Sonne zu bestimmen.
Die 48 stellaren Atlanten in der zweiten Veröffentlichung zeigen Spektren der nördlichen Gaia-Benchmark-Sterne sowie anderer Morgan-Keenan-Standardsterne mit einer zuvor nicht verfügbaren Auflösung und einem extrem guten Signal-zu-Rausch-Verhältnis (S/N). Die letzte Größe repräsentiert das Photonenrauschen relativ zur Signalstärke eines Sterns und ist ein Maß für die Qualität der Spektren. Bisher lag das Signal-zu-Rausch-Verhältnis für die Arbeit an astrophysikalischen Parametern typischerweise bei mehreren Hundert bei einer spektralen Auflösung von λ/Δλ von höchstens 100,000. "PEPSI und das LBT liefern nun ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis von mehreren tausend bei dreimal höherer spektraler Auflösung", lobt Ilya Ilyin, PEPSIs Projektwissenschaftler. "Mit diesen hervorragenden Werten erreichen wir jetzt die gleiche Spektralqualität, die für Beobachtungen unserer Sonne am Tage typisch ist, auch für Beobachtungen heller Sterne bei Nacht", ergänzt Strassmeier.
Die dritte Publikation bestätigt, dass der Stern "Kepler-444", der fünf subterrestrische Planeten beherbergt, ganze 10,5 Milliarden Jahre alt ist. Damit ist er mehr als doppelt so alt wie unsere Sonne und nur ein wenig jünger als das Universum. Der Stern ist auch arm an Metallen. Das chemische Häufigkeitsmuster aus dem PEPSI-Spektrum erlaubt den Rückschluss auf einen ungewöhnlich kleinen Eisenkern-Massenanteil von 24% für seine Planeten, wenn sich Stern und Planeten zusammen bildeten. Terrestrische Planeten in unserem Sonnensystem haben typischerweise einen Massenanteil des Eisenkerns von 30%. "Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Planeten um metallarme Sterne weniger dicht sind als Gesteinsplaneten vergleichbarer Größe um metallreichere Sterne wie unsere Sonne", erklärt Claude "Trey" Mack, Projektwissenschaftler für die Kepler-444-Beobachtungen.
Die AIP-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Michael Weber, Matthias Steffen, Silva Järvinen, Matthias Mallonn, Claude Mack, Thorsten Carroll, Carsten Denker, Sydney Barnes, Daniel Sablowski, Engin Keles, Ekaterina Dineva, Alessandro Mott und Gohar Harutyunyan beteiligten sich an der ersten Datenveröffentlichung von PEPSI.
Quelle: Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP)