10.2. Helle metallarme Sterne

Die Stichprobe der Hamburg/ESO-Durchmusterung war in schwächere und hellere Sterne aufgeteilt worden. Der damalige Rekordhalter HE 0107–5240 war einer der schwächeren Sterne gewesen und deswegen schon von meinem deutschen Kollegen entdeckt worden. Die Stichprobe der helleren Sterne war mir übergeben worden, um »zu gucken, was sich da so drin befinden würde«. Der Inhalt meiner Doktorarbeit war deshalb die Bearbeitung dieser grob vorselektierten Sternenstichprobe, um die darin enthaltenen metallarmen Sterne zu identifizieren und später weiterzuanalysieren. Obwohl sich diese Aufgabe eigentlich gar nicht so schwierig oder langwierig anhört, fasst dieser eine Satz ca. dreieinhalb Jahre meines Lebens zusammen. Warum sich diese Suche so langwierig und detailreich gestaltete, möchte ich hier schildern.

Wie meistens hat man zu Anfang eines neuen Projekts eine ungefähre Idee, zu welchem Ergebnis man kommen könnte. Denn man braucht diese Aussicht auf ein bestimmtes Ergebnis als Motivation, um ein neues Projekt anzufangen. Nur dann kann man sich mit Enthusiasmus ans Werk machen, denn schließlich kann man bei neuen wissenschaftlichen Tätigkeiten die Lösung nicht hinten im Buchanhang nachschlagen oder den Lehrer fragen. Überhaupt ist bei wissenschaftlichem Arbeiten sehr viel Kreativität gefragt. Man muss sich andauernd vorstellen, wie die Prozesse im Universum ablaufen, denn es gibt ja keine Möglichkeiten, den Kosmos direkt zu studieren. Auch mit Beobachtungen bekommt man in den meisten Fällen nur eine Momentaufnahme einer jeweiligen Situation. Dies erfordert das ständige Aufstellen neuer Hypothesen, die es dann zu testen gilt. Kreativität wird normalerweise mit künstlerischen Berufen in Verbindung gebracht, aber die Wissenschaften wären noch in ihren Kinderschuhen, wenn Forscher über die Jahrhunderte nicht unzählige Ideen gehabt hätten, wie man die Welt und den Kosmos untersuchen und verstehen könnte. Jedes Experiment ist somit ein Kunstwerk, denn es ist die Realisierung einer neuen Idee.

Viele Projekte in der Astronomie gehen dementsprechend allein auf die Vorstellungskraft oder eine Idee zurück. Dies birgt ein gewisses Risiko, aber nur so kann neues Wissen gewonnen werden; oft sogar dann, wenn das eigentliche Projekt nicht die vorhergesehene Antwort ergab. Es gibt aber auch viele Studien, die einen etwas sichereren Weg einschlagen. Auch so werden wichtige wissenschaftliche Ergebnisse geliefert, die wiederum fruchtbaren Boden für weitere Projekte und Ideen bereitstellen. Beispiele solcher Projekte sind z.B. Untersuchungen verschiedener Einflüsse der Umgebung auf die Entwicklung von kosmischen Objekten oder Objektgruppen. Solche Untersuchungen garantieren also mehr oder weniger, dass ein solides Endergebnis erlangt wird. Wenn es aber um die Entdeckungen neuer, seltener Objekte geht, gibt es nicht wirklich eine Garantie für Erfolg oder zumindest nur insofern, als dass zwar neue Objekte gefunden werden, solche aber nicht besonders spektakulär sein könnten. Aus diesem Grund beinhaltete der Plan meiner Doktorarbeit auch noch ein anderes Projekt mit schon vorhandenen Daten. Somit sollte sichergestellt werden, dass ich in jedem Fall ein wissenschaftlich signifikantes Ergebnis erzielen würde. Aber meine Hauptaufgabe war das Suchen und Finden von metallarmen Sternen.

Die Vorselektierung der metallarmen Kandidaten war von meinem deutschen Kollegen mit Hilfe von Computerprogrammen als Teil der Bearbeitung der ganzen Hamburg/ESO-Durchmusterung schon vorgenommen worden. In meinem Eifer fing ich sofort hochmotiviert an, mich mit den niedrig aufgelösten Spektren der Hamburg/ESO-Durchmusterung zu beschäftigen. Die Aussicht, alte Sterne aus dem frühen Universum zu finden, war äußerst spannend für mich. Die erste große Aufgabe bestand darin, jedes einzelne Spektrum in der vorselektierten Stichprobe von ca. 5500 Objekten am Bildschirm zu begutachten. Ziel war es, alle Objekte in verschiedene Klassen einzuteilen. Diese Aufgabe war ziemlich dröge, aber mein Enthusiasmus war unerschütterlich. Das war auch gut so, denn die gesamte Inspektion dauerte insgesamt lange zwei Wochen.

Meine Stichprobe setzte sich aus den Spektren von besonders hellen Sternen zusammen. Aufgrund ihrer großen Helligkeiten hatten viele Objekte die damals noch benutzten fotografischen Platten der Durchmusterung nicht nur geschwärzt, sondern darüber hinausgehend teilweise oder vollständig saturiert (siehe Abbildung 10.2). Die daraus resultierenden Effekte führten zu einem Informationsverlust und beeinträchtigten die Qualität der Spektren. Dementsprechend war es unklar, ob die Stichprobe überhaupt brauchbar für die Suche nach metallarmen Sternen war. Meine Aufgabe war es, auf genau diese Frage eine solide Antwort zu liefern.

Abb. 10.2: Vergleich von teilweise saturierten und »normalen« Durchmusterungsspektren. Saturierungseffekte treten bei besonders hellen Sternen auf. Das oberste Spektrum ist fast vollständig saturiert, denn es verläuft fast vollständig waagerecht. Das mittlere Spektrum zeigt am rechten Ende eine Saturierung, aber der für die Suche nach metallarmen Sternen wichtige Bereich bei etwa 3900 Å ist nicht betroffen. Das untere Spektrum ist nicht saturiert. Beide Sterne wurden als mpcc klassifiziert. Die Ordinaten geben die Photonen-Counts der jeweiligen Spektren an.

Die Saturierungseffekte hatten einen besonders großen Nachteil, der mir sehr viele falsch klassifizierte Kandidaten bescherte. Je metallarmer ein Stern ist, desto geringer fallen seine Absorptionslinien aus. Ein saturiertes Spektrum zeigt fälschlicherweise auch sehr schwache Absorptionslinien, wie in Abbildung 10.2 gesehen werden kann. Somit waren genau solche Spektren als metallarm klassifiziert worden. Dementsprechend ergaben meine visuellen Inspektionen der gesamten Stichprobe, dass 3733 Objekte nicht wirklich metallarm, sondern besonders helle, sehr heiße metallreiche Sterne mit saturierten Spektren waren. Einige als Stern klassifizierte Galaxien und diverse Objekte mit Artefakten in ihren Spektren waren auch dabei. Obwohl Probleme durch die Saturierungseffekte vorhersehbar gewesen waren, war dieses Ergebnis doch erst einmal enttäuschend. Denn »nur« 1777 Kandidaten blieben am Schluss übrig. Ich wollte doch möglichst viele metallarme Sterne finden, aber jetzt bestand meine Stichprobe nur noch aus einem Drittel der Menge, mit der ich angefangen hatte.

Diese 1777 Sterne unterteilte ich bei der Inspektion in verschiedene Klassen, je nachdem, wie metallarm ihre Spektren erschienen: mpcc für Sterne mit einer relativ starken Kalzium-K-Linie bei 3933,6 Å, mpcb für Sterne mit schwacher Kalzium-Linie, mpca für Sterne mit keiner sichtbaren Kalzium-Linie und unid für Spektren, bei denen es aufgrund von Rauschen unklar war, ob eine Kalzium-Linie sichtbar ist. Die letzten beiden Kategorien waren die vielversprechendsten für die Suche nach den metallärmsten Sternen. »mpc« steht in allen Fällen für »metal-poor candidate«, also metallarmer Kandidat, und »unidentified« für eine nicht identifizierbare Kalzium-Linie im Spektrum. Am Schluss hatte ich 1426 mpcc-Sterne, 248 mpcb-, 84 unid- und ganze 9 mpca-Kandidaten. Nicht gerade viel, aber auch nicht wenig!

Beim Betrachten von 5500 Spektren lernte ich schnell, dass jedes Spektrum etwas anders aussieht und jeder Stern doch so etwas wie eine eigene Persönlichkeit hat. Als Neuling in der Spektroskopie dauerte es allerdings einige Zeit, bis ich mich mit den Spektren so weit angefreundet hatte, dass ich sie zügig und mit einer gewissen Sicherheit klassifizieren konnte. In gewisser Weise ähnelte diese Aufgabe der Klassifikationsarbeit von Annie Jump Cannon und ihren Kolleginnen. Die ganze Inspektions-Prozedur kann man sich wie eine Passkontrolle am Flughafen vorstellen. Ein Softwareprogramm zeigt das Spektrum erst einmal auf dem Bildschirm an. Als Inspizierer betrachtet man es dann kritisch auf verschiedene Merkmale hin, und am Ende bekommt der Stern den Stempel »zugelassen« oder »abgelehnt«. Diese Klassifikation war letztlich eine ziemlich verantwortungsvolle Aufgabe. Denn Sterne, die abgelehnt, sprich rausgeschmissen wurden, wurden ein für alle Mal aussortiert und nie wieder genauer betrachtet. Das bedeutete, dass eine falsche Klassifikation durchaus zur Folge haben konnte, dass ein potentiell sehr interessanter Stern »entsorgt« wurde, weil er nicht als solcher erkannt wurde. Der Aufwand, die aussortierten Objekte alle im Detail noch einmal zu untersuchen, ist bei solchen Projekten zu groß, um wirklich sinnvoll zu sein.

Nach dem Inspizieren von 5500 Spektren war ich dann aber doch froh, mit dieser Aufgabe erst einmal fertig zu sein. Insgeheim hoffte ich aber noch lange Zeit später, dass ich keine oder wenigstens nicht zu viele interessante Sterne aus Versehen aussortiert hatte. Ob ich also aus Unerfahrenheit oder falscher Einschätzung Sterne nicht selektierte, bleibt somit ein großes Fragezeichen. Da ich aber letztendlich einige ziemlich interessante Sterne in meiner Stichprobe gefunden habe, kann ich im Rückblick davon ausgehen, dass ich nicht zu viele Fehler bei der Klassifikation gemacht haben kann. Denn es ist statistisch gesehen sehr unwahrscheinlich, dass meine Stichprobe neben meinen Entdeckungen noch weitere der metallärmsten Sterne beinhalten würde.

Diese Sorge um vermeintlich aussortierte, aber brauchbare metallarme Kandidaten illustriert weiterhin zwei Dinge, die ich während meiner Doktorarbeit lernen musste. Zum einen ist bei der Arbeit mit großen Durchmusterungen immer mit gewissen Verlusten zu rechnen, auch wenn man sich noch so viel Mühe gibt. Denn die Datenqualität ist gering, und Quantität schlägt Qualität. Somit können einzelne Fehlklassifikationen einfach nicht ausgeschlossen werden. Bis heute finde ich das etwas frustrierend, aber daran lässt sich nichts ändern. Zum anderen habe ich aus dieser Erfahrung vor allem für später gelernt, dass solche großen Such-Projekte doch am Ende Früchte tragen. Denn mit einem tollen Ziel vor Augen und Vertrauen in die Sache kann jeder am Ende etwas Neues, Spannendes herausfinden.