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Kleiner Hantelnebel

planetarischer Nebel im Sternbild Perseus

Der kleine Hantelnebel (auch als Messier 76 oder durch NGC 650 und NGC 651 bezeichnet) ist ein planetarischer Nebel im Sternbild Perseus am Nordsternhimmel mit einer scheinbaren Helligkeit von 10,1 mag. Der hellere Kernbereich, der auch als „Korken“ bezeichnet wird, misst 1,45' × 0,7' Bogenminuten. Der etwas schwächere äußere Teil hat knapp die doppelte Ausdehnung. Wegen dessen Form wird das Objekt Schmetterlingsnebel oder kleiner Hantelnebel genannt. Ganz außen herum befindet sich ein Halo, der aus jenem Gasmaterial besteht, welches der Stern bereits lange vor der Explosion in seiner Phase als Roter Riese abgegeben hatte. Dieser ist knapp 4,8 Bogenminuten groß. Diesem Wert entspricht in der Entfernung des Nebels eine absolute Ausdehnung von etwa 21 Lichtjahren.

Planetarischer Nebel
Messier 76 / Kleiner Hantelnebel
Aufnahme mit dem Hubble-Weltraumteleskop
Aufnahme mit dem Hubble-Weltraumteleskop
AladinLite
Sternbild Perseus
Position
Äquinoktium: J2000.0
Rektaszension 01h 42m 19,7s [1]
Deklination (Astronomie) +51° 34′ 32″ [1]
Erscheinungsbild
Scheinbare Helligkeit (visuell) 10,1 mag [2]
Scheinbare Helligkeit (B-Band) 12,2 mag [2]
Winkelausdehnung 2.7´ × 1,8´ [2]
Zentralstern
Bezeichnung WD 0139+513 [3]
Scheinbare Helligkeit 17,5 mag [3]
Spektralklasse DOZ.4 
Physikalische Daten
Rotverschiebung -64e-6 [3]
Radialgeschwindigkeit −19,1 km/s [3]
Entfernung 1359 + 197−169 pc [4]
Alter 6.000…8.000 Jahre [5][6][7]
Geschichte
Entdeckung Pierre Méchain
Datum der Entdeckung 5. September 1780
Katalogbezeichnungen
 NGC 650 • PK 130-10.1 • GC 385 • H I 193 • NGC 651 • Messier 76

Der Zentralstern, der sich durch die Explosion in einen Weißen Zwerg verwandelt hat, weist eine Temperatur von 140.000 Kelvin,[8] möglicherweise auch von 208.000 Kelvin[7] auf. Er erscheint zwar einem Mehrfachstern zugehörig, jedoch haben Aufnahmen mit dem Hubble-Weltraumteleskop gezeigt, dass die 1,4 Bogensekunden entfernte südliche Komponenten sich räumlich nicht in der Nähe befinden.[8]

Entdeckung und Einordnung

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Der französische Astronom Pierre Méchain entdeckte den Nebel am 5. September 1780 und berichtete dies Charles Messier, der ihn kurz darauf selbst beobachtete, die Position genau bestimmte und in seinem Katalog als 76. Objekt verzeichnete.[9] Messier vermerkte darin, dass die Positionsbestimmung ihm nur unter Schwierigkeiten gelang[10] – er ist einer der lichtschwächsten Nebel des Katalogs[9] – und die unterschiedlichen Resultate beider Beobachtungen: Méchain hatte einen Nebel ohne Sterne erkannt, während Messier eine Vielzahl von Sternen wahrnahm.[10]

Auch in der Folgezeit blieb trotz Fortschritte in den Beobachtungen das Bild noch lange uneinheitlich. So sah Wilhelm Herschel im Jahr 1787 mit seinem deutlich leistungsfähigeren Teleskop in dem Objekt zwei überlappende Nebel, die er in seinem Katalog separat verzeichnete,[9] während James Challis in Beobachtungen mit dem Northumberland Telescope ihm 1842 eine „sprangled appearance“ (en : gesprenkelte/zerzauste Erscheinung) zuschrieb und William Henry Smyth zwei überlagerte Sterne feststellte.[11] Mithilfe einer Spektralanalyse konnte William Huggins − ein Pionier auf dem Gebiet – im Jahr 1866 zeigen, dass beide Nebelbereiche durch Gasmassen gebildet wurden.[9] Lord Rosse mit seinen seinerzeit weltgrößten Teleskopen sah im gleichen Jahr bei einer ersten Beobachtung einen ähnlich einer Sichel geformten Spiralnebel, stellte darin zwei helle Knoten fest, die Herschel als Doppelnebel interpretiert hatte, und fertigte eine Zeichnung davon an; bei einer zweiten Beobachtung kurz darauf beschrieb er ihn als einen Knoten aufweisenden „curved nebula“ (en : gebogenen Nebel).[12] In dem 1888 erstellten New General Catalogue of Nebulæ and Clusters of Stars ist er mit zwei Einträgen wieder als Doppelnebel beschrieben.[11]

Eine erste Fotografie gelang pionierhaft Isaac Roberts im Jahr 1891.[13] Sie zeigten, dass es sich tatsächlich nur um einen Nebel handelt, mit dichteren Nebelflecken an beiden Enden, in der Mitte ein Stern von 14 mag – die Erscheinung vermutlich von einem breiten ringförmigen Nebel herrührt, aus einem flachen Winkel betrachtet.[13] Anhand weiterer, mit dem Crossley-Reflector erstellten Aufnahmen konnte Heber Doust Curtis den Nebel im Jahr 1918 als Planetarischen Nebel einordnen und zusammen mit anderen Planetarischen Nebel eine umfassende Erklärung für deren Gestalt liefern; zudem bestimmte er die Helligkeit des Zentralsterns nun mit 16 mag.[14] Eine spätere Studie von Rudolph Minkowski und Donald Edward Osterbrock mithilfe von Aufnahmen durch das 5 Meter durchmessende, damals weltgrößte Hale-Teleskop unter Verwendung von Linienfilter bestätigte die Ringstruktur und zeigte zudem daran ansetzende dünne Schalen.[15]

Entfernung

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Nachdem Herman Zanstra im Jahr 1931 eine Erklärung für die Physik von Planetarischen Nebel gefunden hatte – durch eine sehr hohe Oberflächentemperatur strahlt der nur scheinbar schwach leuchtende Zentralstern überwiegend unsichtbar im Ultraviolett, ionisiert mit dieser Strahlung den Nebel und bringt ihn so zum Leuchten –, nutzte er die entdeckten Zusammenhänge für eine erste Entfernungsabschätzung: Für eine angenommene Oberflächentemperatur des Zentralsterns von 110.000 Kelvin errechnete er eine Entfernung von 1.200 Parsec, für 85.000 Kelvin eine Entfernung von 1.650 Parsec.[16]

Die Entfernung blieb lange Zeit unsicher:[9] Es wurden eine Reihe weitere Methoden entwickelt, die beispielsweise anhand von Emissionen, intrastellaren Absorptionen, der Ausdehnung des Nebels und der Kalibrierung von daraus erstellten Skalen an bekannten Entfernungen eine Entfernungsabschätzung ermöglichten – und so neben dazwischen liegenden Werten auch Entfernungswerte von 500 Parsec[17] und 3.600 Parsec[18] ergaben. Erst im Jahr 2021 gelang eine trigonometrische Parallaxenmessung mithilfe des darauf spezialisierten Satelliten Gaia nach mehrjährigen Vermessungen, wodurch eine Entfernung von 1.359 + 197−169 Parsec bestimmt wurde.[4] Die nachfolgende Tabelle gibt eine zeitlich geordnete Übersicht über die verschiedenen Entfernungsbestimmungen.

Entfernungsbestimmungen (Auswahl)
Jahr Entfernung (Parsec) Autor(en) Methode
1931 1200
1650		 Zanstra Für eine Zentralsterntemperatur von 110.000 K oder 85.000 K[16]
1937 (< 4570) Berman Entfernung wahrscheinlich überschätzt.[19]
1956 820 Schklowski Nach G. O. Abell[20]
1962 537 O’Dell Hβ-Emissionslinie[21]
1966 613 Abell Variante der Methode von Schklowski[20]
1968 595 Gordon Variante der Seaton-Skala basierend auf Hβ-Emission[22]
1971 670 Cahn, Kaler Berücksichtigt Hα- und Hβ-Strahlung, Radius
und Absorption durch galaktische Staubverteilung[23]
1978 1200
1100		 Acker Entfernungsbestimmung anhand der Kinetik und
Kombination mit vorherigen Entfernungsbestimmungen[24]
1984 820 Amnuel et al. Beziehung Oberflächenhelligkeit bei 5 GHz und Radius[25]
1984 700 Maciel Beziehung zwischen ionisierter Masse und Radius[26]
1992 739 Cahn et al. Basierend auf Hα-, Hβ-, HeII- und 5-GHz-Emission[27]
1994 1300 van de Steene, Zijlstra Zusammenhang von „radio continuum brightness temperature“
und Radius[28]
1995 1560 Zhang Mittelwert aus Entfernungsbestimmung mittels ionisierte Masse
und „radio continuum surface brightness temperature“[29]
1995 1550 Napiwotzki, Schönberner Zudem kinetisches Alter 6200 Jahre[5]
1996 780 Pottasch Berücksichtigt Wechselwirkung von Gravitation und Spektrum[30]
1997 650 Mal'Kov Anhand einens selbstkonsistenten Modells[31]
1998 3600 Tajitsu, Tamura Anhand von Helligkeitsdaten des Infrared Astronomical Satellite[18]
2000 500 Cazetta, Maciel Beziehung von Masse des Zentralstern zu N/O-Vorkommen[17]
2008 748 Stanghellini et al. Skalenkalibrierung anhand der Magellanschen Wolke[32]
2010 1436 Stanghellini, Haywood Beziehung von Oberflächenhelligkeit und Nebelradius,
kalibriert an der Magellanschen Wolke[33]
2016 1380 Frew et al. Beziehung von Hα-Oberflächenhelligkeit und Nebelradius[34]
2021 1359 Chornay, Walton Parallaxenmessung mittels des Satelliten Gaia, EDR3[4]

Alter und Kinematic

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Bereits im Jahr 1938, gestützt auf die kurz zuvor von Zanstra gefundene Erklärung für Planetarische Nebel, nahm Fred Whipple eine Altersbestimmung für eine Reihe der Nebel vor, erhielt aber dabei für NGC 650-1 ein Alter von 360.000 Jahren, das ihm allerdings unzutreffend schien. Er nutzte dabei die von Zanstra beschriebene Expansion des Nebels, deren Geschwindigkeit von 6 km/s sich anhand der Dopplerverschiebung der Emissionslinien der Gase des Nebels bestimmen ließ. Aus der Rechnung, wie lange es bei dieser Expansionsgeschwindigkeit dauern würde, bis der Nebel seine jetzige Größe erreicht, ließ sich das Alter bestimmen. Die Größe des Nebels ermittelte er hierfür aus der Winkelausdehnung von 100 Bogensekunden und der Entfernungsabschätzung von 4.570 Parsec durch Berman – welche allerdings Berman selbst bereits zu hoch erschien[19].[35]

Nach der gleichen Methode, aber mit anderen Werten für Entfernung, Winkelausdehnung und Expansionsgeschwindigkeit erfolgten weitere Altersbestimmungen. Paris Pişmiş und ihre Tochter Elsa Recillas-Cruz ermittelten im Jahr 1984 mit einer Expansionsgeschwindigkeit von etwa 40 km/s für die angenommenen Entfernungen von 600 Parsec und 1.200 Parsec so ein Alter von 1.800 oder 3.600 Jahre. Aufgrund der betrachteten Strukturen, die nicht an den Punkten maximaler Ausdehnung liegen, hielten Recillas-Cruz und Pişmiş jedoch auch ein höheres Alter für möglich.[36] Ralf Napiwotzki und Detlef Schönberner errechneten im Jahr 1995 mit dem Ergebnis ihrer Methode zur Entfernungsbestimmung von 1.550 Parsec, einer Winkelausdehnung von 67 Bogensekunden und einer Expansionsgeschwindigkeit von wiederum rund 40 km/s ein Alter von 6.200 Jahren.[5] Neuere Analysen unter Verwendung von Infrarotaufnahmen des Spitzer-Weltraumteleskops und des Herschel-Weltraumteleskops kommen für eine angenommene Entfernung von 1.200 Parsec auf 6.000 und 8.000 Jahre.[6][7]

Detaillierte Studien der Kinematik des Nebels bestätigten kurz darauf das Vorkommen verschiedener Geschwindigkeiten und zeigten weitere Strukturen.[37] Die Polkappe bzw. Halo könnte ein Alter von 80.000 Jahren aufweisen.[38]

Beobachtbarkeit

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Literatur

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  • Michael König & Stefan Binnewies: Bildatlas der Sternhaufen & Nebel. Kosmos, Stuttgart 2023, S. 214.
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Commons: Messier 76 – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

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  1. ↑ NASA/IPAC EXTRAGALACTIC DATABASE
  2. ↑ a b Revised NGC Data for NGC 650 bei SEDS
  3. ↑ a b c M 76 – Planetary Nebula der Datenbank SIMBAD
  4. ↑ a b c N. Chornay, N. A. Walton: One star, two star, red star, blue star: an updated planetary nebula central star distance catalogue from Gaia EDR3. In: Astronomy & Astrophysics. Band 656, 2021, S. 5 (id A110), bibcode:2021A&A...656A.110C.
  5. ↑ a b c R. Napiwotzki, D. Schönberner: Spectroscopic investigation of old planetaries. III. Spectral types, magnitudes, and distances. In: Astronomy & Astrophysics. Band 301, 1995, S. 545–, bibcode:1995A&A...301..545N.
  6. ↑ a b Toshiya Ueta: Spitzer MIPS Imaging of NGC 650: Probing the History of Mass Loss on the Asymptotic Giant Branch. In: The Astrophysical Journal. Band 650, Nr. 1, 2006, S. 228–236, bibcode:2006ApJ...650..228U.
  7. ↑ a b c P. A. M. van Hoof et al.: A Herschel study of NGC 650. In: Astronomy & Astrophysics. Band 560, 2013, S. 18 (id.A7), bibcode:2013A&A...560A...7V.
  8. ↑ a b J. Koornneef, S. R. Pottasch: HST photometry of the stars near the center of PN NGC 650. In: Astronomy & Astrophysics. Band 335, 1998, S. 277–280, bibcode:1998A&A...335..277K.
  9. ↑ a b c d e Hartmut Frommert, Christine Kronberg: Messier 76 bei SEDS
  10. ↑ a b Hartmut Frommert, Christine Kronberg: Charles Messier's Catalog of Nebulae and Star Clusters – M. 76 bei SEDS
  11. ↑ a b Hartmut Frommert, Christine Kronberg: Messier 76 – Observations and Descriptions bei SEDS
  12. ↑ The Earl of Rosse: Observations of nebulæ and clusters of stars made with the six-foot and three-foot reflectors at Birr Castle, from the year 1848 up to the year 1878. In: Scientific Transactions of the Royal Dublin Society. Band 2. Dublin 1880, S. 1, bibcode:1880STRDS...2....1R (handle.net – Besseres Digitalisat des gesamten Bandes der Royal Dublin Society).
  13. ↑ a b Isaac Roberts: Selection of Photographs of Stars, Star-Clusters and Nebulæ. London 1893, S. 37, bibcode:1893spss.book.....R (lindahall.org).
  14. ↑ Heber Doust Curtis: The Planetary Nebulae. In: Publications of Lick Observatory. Band 13, 1918, S. 55–74, bibcode:1918PLicO..13...55C.
  15. ↑ R. Minkowski, D. Osterbrock: Electron Densities in Two Planetary Nebulae. In: The Astrophysical Journal. Band 131, 1960, S. 537, bibcode:1960ApJ...131..537M.
  16. ↑ a b H. Zanstra: Untersuchungen über planetarische Nebel. Zweiter Teil: Parallaxen. Expansion der Nebelhüllen. In: Zeitschrift für Astrophysik. Band 2, 1931, S. 329, bibcode:1931ZA......2..329Z.
  17. ↑ a b Jenai O. Cazetta, Walter J. Maciel: Distances of Galactic Planetary Nebulae Based on a Relationship Between the Central Star Mass and the N/O Abundance. In: Revista Mexicana de Astronomía y Astrofísica. Band 36, 2000, S. 3–11, bibcode:2000RMxAA..36....3C.
  18. ↑ a b Akito Tajitsu, Shin'ichi Tamura: A New Distance Indicator to Galactic Planetary Nebulae Based upon IRAS Fluxes. In: The Astronomical Journal. Band 115, Nr. 5, 1998, S. 1989–2008, bibcode:1998AJ....115.1989T.
  19. ↑ a b Louis Berman: A study of the galactic rotation from the data of the planetary nebulae. In: Lick Observatory bulletin. Nr. 486, 1937, S. 57–75, bibcode:1937LicOB..18...57B.
  20. ↑ a b G. O. Abell: Properties of Some Old Planetary Nebulae. In: The Astrophysical Journal. Band 144, 1966, S. 259, bibcode:1966ApJ...144..259A.
  21. ↑ Charles Robert O’Dell: A Distance Scale for Planetary Nebulae Based on Emission-Line Fluxes. In: The Astrophysical Journal. Band 135, 1962, S. 371, bibcode:1962ApJ...135..371O.
  22. ↑ C. (Pecker-Wimel) Gordon: Comments on Seaton's Distance Scale for Planetary Nebulae. In: Astrophysical Letters. Band 1, 1968, S. 121, bibcode:1968ApL.....1..121G.
  23. ↑ J. H. Cahn, J. B. Kaler: The Distances and Distribution of Planetary Nebulae. In: The Astrophysical Journal Supplement Series. Band 22, 1971, S. 319, bibcode:1971ApJS...22..319C.
  24. ↑ A. Acker: A new synthetic distance scale for planetary nebulae. In: Astronomy and Astrophysics Supplement Series. Band 33, 1978, S. 367−381, bibcode:1978A&AS...33..367A.
  25. ↑ P. R. Amnuel et al.: Statistical survey of planetary nebulae: Distances, masses, and distribution in the galaxy. In: Astrophysics and Space Science. Band 107, Nr. 1, 1984, S. 19–50, bibcode:1984Ap&SS.107...19A.
  26. ↑ W. J. Maciel: A catalogue of distances of planetary nebulae. In: Astronomy and Astrophysics Supplement Series. Band 55, 1984, S. 253–258, bibcode:1984A&AS...55..253M.
  27. ↑ J. H. Cahn, J. B. Kaler, L. Stanghellini: A catalogue of absolute fluxes and distances of planetary nebulae. In: Astronomy and Astrophysics Supplement Series. Band 94, 1992, S. 399–452, bibcode:1992A&AS...94..399C.
  28. ↑ G. C. van de Steene, A. A. Zijlstra: On an alternative statistical distance scale for planetary nebulae. In: Astronomy and Astrophysics Supplement Series. Band 108, 1994, S. 399–452, bibcode:1994A&AS..108..485V.
  29. ↑ C. Y. Zhang: A Statistical Distance Scale for Galactic Planetary Nebulae. In: The Astrophysical Journal Supplement Series. Band 98, 1995, S. 659–678, bibcode:1995ApJS...98..659Z.
  30. ↑ S. R. Pottasch: Local space density and formation rate of planetary nebulae. In: Astronomy & Astrophysics. Band 307, 1996, S. 561–578, bibcode:1996A&A...307..561P.
  31. ↑ Yu. F. Mal'Kov: A self-consistent determination of the distances, physical parameters, and chemical composition for a large sample of galactic planetary nebulae: The distances and parameters of central stars and the optical depths of envelopes. In: Astronomy Reports. Band 41, 1997, S. 760–776, bibcode:1997ARep...41..760M.
  32. ↑ Letizia Stanghellini, Richard A. Shaw, Eva Villaver: The Magellanic Cloud Calibration of the Galactic Planetary Nebula Distance Scale. In: The Astrophysical Journal. Band 689, Nr. 1, 2008, S. 194–202, bibcode:2008ApJ...689..194S.
  33. ↑ Letizia Stanghellini, Misha Haywood: The galactic structure and chemical evolution traced by the population of planetary nebulae. In: The Astrophysical Journal. Band 714, 2010, S. 1096–1107, bibcode:2010ApJ...714.1096S.
  34. ↑ David J. Frew, Q. A. Parker, I. S. Bojičić: The Hα surface brightness-radius relation: a robust statistical distance indicator for planetary nebulae. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Band 455, Nr. 2, 2016, S. 1459–1488, bibcode:2016MNRAS.455.1459F.
  35. ↑ Fred L. Whipple: On the Ages of Planetary Nebulae. In: Harvard College Observatory Bulletin. Nr. 908, 1938, S. 17–20, bibcode:1938BHarO.908...17W.
  36. ↑ E. Recillas-Cruz, P. Pişmiş: Kinematics and morphology of the planetary nebula NGC 650–651. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Band 210, 1984, S. 57–67, bibcode:1984MNRAS.210...57R.
  37. ↑ M. Bryce, G. Mellema, C. A. Clayton, J. Meaburn, B. Balick, J. A. Lopez: A kinematical investigation of the bipolar planetary nebula NGC 650-1. In: Astronomy & Astrophysics. Band 307, 1996, S. 253–270, bibcode:1996A&A...307..253B.
  38. ↑ G. Ramos-Larios, M. A. Guerrero, A. Nigoche-Netro, L. Olguín, M. A. Gómez-Muñoz, L. Sabin, R. Vázquez, S. Akras, J. C. Ramírez Vélez, M. Chávez: The interaction of the halo around the butterfly planetary nebula NGC 650-1 with the interstellar medium. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Band 475, Nr. 1, 2018, S. 932–941, bibcode:2018MNRAS.475..932R.
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