Biermann-Vorlesungen 2025: Mit Asteroseismologie tief in die Sterne eintauchen

Mit Prof. Conny Aerts, KU Leuven, Belgien

Unterschiedliche Musikinstrumente erzeugen aufgrund ihrer jeweiligen Struktur charakteristische Klänge. Ein Orchester verfügt über eine Vielzahl verschiedener Instrumente, nicht nur aus optischen Gründen, sondern weil sie unterschiedliche Töne und Klangfarben erzeugen. So kann ein Cello andere Klänge erzeugen als eine Violine und eine Tuba andere als eine Piccoloflöte. Stellen Sie sich nun vor, Sie hören nur ein neues Musikinstrument und müssen anhand der Details in den Schallwellen seine Konstruktion herausfinden.

Ähnlich verfahren Seismologen mit der Erde selbst: Sie verfolgen mit empfindlichen Instrumenten seismische Wellen, die sich durch die Erde bewegen, um Informationen über die innere Struktur unseres Heimatplaneten zu gewinnen. Asteroseismologen verwenden dasselbe Prinzip, um Rückschlüsse auf die inneren Strukturen von Sternen zu ziehen. Natürlich können wir keine Schallwellen von Sternen hören, da sie uns durch das Vakuum des Weltraums nicht erreichen. Doch durch die sorgfältige Beobachtung des Lichts von Sternen lässt sich erkennen, wie sie schwingen. So können wir Rückschlüsse auf die Ausbreitung von Wellen in ihrem Inneren ziehen. Durch die Kombination von detaillierten Beobachtungen und Modellen lassen sich wiederum Erkenntnisse über die Strukturen im Inneren von Sternen gewinnen. Diese Methode zur Untersuchung des Sterneninneren wird seit mehreren Jahrzehnten am nächstgelegenen Beispiel, unserer Sonne, angewendet. Lange Zeit war es jedoch nicht möglich, die Schwingungen weiter entfernter Sterne hinreichend genau zu messen.

Conny Aerts hat maßgeblich dazu beigetragen, die Asteroseismologie zu einem Forschungsgebiet zu machen, das heute Einblicke in verschiedenste Sterne jenseits der Sonne ermöglicht. Mit ihrem mathematischen Hintergrund hat Conny Aerts mit ihrer Gruppe leistungsstarke Methoden zur Interpretation asteroseismischer Signale entwickelt. Sie hat diese Techniken auf Daten von Satellitenteleskopen angewendet, insbesondere auf die Planetenforschungsmissionen Kepler und TESS der NASA, um neue Informationen über das Innere von Sternen zu gewinnen.

Mit der von ihr entwickelten Astroseismologie hat Conny Erkenntnisse über die inneren Strukturen von deutlich massereicheren Sternen als die Sonne gewonnen.  Bei der Umwandlung von Wasserstoff in Helium in ihrem Inneren entwickeln solche massereichen Sterne konvektive Kerne. Das Verständnis des Übergangs von hochgradig turbulenter Konvektion im Kern zu einer stabil geschichteten Hülle hat selbst die ausgefeiltesten Simulationen bisher überfordert. Connys Gruppe ist führend in der Anwendung der Asteroseismologie zur Untersuchung der tiefen inneren Strukturen dieser massereichen Sterne und bringt uns der Lösung dieser seit langem bestehenden Ungewissheit in der Sternphysik näher.

Ein weiteres prominentes Beispiel für die Führungsrolle von Connys Gruppe, basierend auf ihren entwickelten Methoden, ist die Messung der inneren Rotation von Sternen.  Dazu musste man sich von einem perturbativen Ansatz zur Behandlung von Rotationseffekten lösen und auch über die Verwendung von sphärischen Oberschwingungen zur Darstellung der Schwingungsmoden hinausgehen. Conny Aerts' Arbeit hat zu Erkenntnissen über den Transport von Drehimpuls im Inneren von Sternen geführt und auch dazu beigetragen, die mit dieser Rotation verbundene Vermischung einzugrenzen.

Conny Aerts' fantastische wissenschaftliche Arbeit wurde mit einer außergewöhnlichen Anzahl renommierter Preise ausgezeichnet. Die Begründung für die Verleihung des Kavli-Preises für Astrophysik 2022 an Conny Aerts und ihre Mitpreisträger lautete: „für ihre Pionierarbeit und Führungsrolle bei der Entwicklung der Helioseismologie und Asteroseismologie. Ihre Forschung hat die Grundlagen für die Theorie der Sonnen- und Sternstruktur gelegt und unser Verständnis des Inneren von Sternen revolutioniert.“ Sie gewann sowohl den Francqui-Preis für exakte Wissenschaften als auch den FWO-Exzellenzpreis für exakte Wissenschaften (beide für fünf Jahre, 2012 bzw. 2020) und war in beiden Fällen die erste Frau, die diese Auszeichnungen seit deren Gründung erhielt. Im Jahr 2023 wurde Conny Aerts zum Großoffizier des Leopold-Ordens ernannt, der höchsten belgischen Auszeichnung. Im Jahr 2024 erhielt sie zudem den renommierten Crafoord-Preis für Astronomie.

Conny ist die belgische Hauptforscherin für den PLATO-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation, der 2026 gestartet werden soll und bei der Asteroseismologie massereicher Sterne noch leistungsfähiger sein wird.  Sie ist außerdem Mitglied des Editorial Boards des „Annual Review of Astronomy and Astrophysics” und war Mitglied der „High Level Expert Group” zur Zwischenbewertung des Programms „Horizon Europe”. Conny Aerts ist eine der wenigen Wissenschaftlerinnen in Europa, die zwei Advanced Grants des Europäischen Forschungsrats erhalten hat. Derzeit leitet sie das ambitionierte ERC-Synergy-Grant-Projekt „4D-STAR”.

In ihren Biermann-Vorlesungen wird sie in diesem Jahr über die beobachtenden Aspekte der Asteroseismologie und die dahinterstehende Theorie sprechen sowie darüber, wie sich beide kombinieren lassen, um das Innere von Sternen zu untersuchen und mehr über ihre innere Struktur und die Physik zu erfahren, die während ihrer Entwicklung eine Rolle spielt.

Titel: Diving deep into the stars with asteroseismology

Alle Vorlesungen finden im Großen Seminarraum E.0.11 des MPA statt. 

Mittwoch, 8. Oktober

Basics & Applications to High-Frequency Waves in „Sun-Like” Oscillators

Mittwoch, 15. Oktober

Applications to Low-Frequency Waves in Fast-Rotating Stars

Mittwoch, 22. Oktober

Intermediate- & High-Mass Stars with Waves Beyond a Perturbative Approach