Planetarische Nebel - Wilhelm Herschel und das Gas im All
Einst schrieb ich einen Artikel über Planetarische Nebel für die Wiener Zeitung. Die Story begann damals so:
"Nein, mit Planeten haben die Planetarischen Nebel nichts gemein. Sie sind vielmehr kosmische Signalzeichen, die Kunde vom Ableben alter Sterne geben. Jupiters Geist heißt eines dieser Gebilde, Blauer Schneeball ein anderes. Der berühmte Ringnebel in der Leier gleicht einem kosmischen Rauchring. Der Saturnnebel macht glauben, eine ferne Raubkopie des berühmten Ringplaneten zu sehen.
Im Sanduhr-, Katzenaugen- und im Boomerang-Nebel tauchen bizarre Strukturen mit seltsamen Spiegelsymmetrien auf. Dunkle Flecken im Nebelrund schenkten dem Eulen- und dem Totenschädelnebel beredte Namen. Der Eskimonebel ließ Betrachter an das Antlitz eines Inuit mit Pelzkapuze denken. Und die höchst bizarren Details im Retina- oder im Spirografnebel sorgen bei Astronomen immer wieder für Kopfzerbrechen".
M27, der Hantelnebel im Sternbild Füchschen
Die altvertraute Wiener Zeitung, die älteste Tageszeitung der Welt, wurde 2023 von der schwarz-grünen Bundesregierung versenkt. Die Planetarischen Nebel können von Politikern glücklicherweise nicht so einfach abgedreht werden. Sie eignen sich vortrefflich für Amateurastronomen. Mit freiem Auge lässt sich allerdings keines dieser Himmelsobjekte blicken.
Ein schlimmer Irrtum bei der Namesgebung
Der erstentdeckte Nebel dieser Art ging 1764 dem französischen Kometenjäger Charles Messier ins Netz, und zwar im Sternbild Füchsen. Messier nahm ihn als Objekt Nr. 27 in seinen Nebelkatalog auf. Seiner Gestalt wegen erhielt dieser M27 zudem den Spitznamen Hantelnebel.
Knapp zwei Jahrzehnte setzte William Herschel, in Deutschland geboren und nach England ausgewandert, mit sehr viel lichtstärkeren Teleskopen zu wahren Himmelsdurchmusterungen an. Er entdeckte etliche weitere Nebel: Darunter auch kleine, grün schimmernde, runde Gebilde.
Ihr Anblick erinnerte Herschel an den grünlichen Planeten Uranus, den er zuvor in Bath - damals noch als Amateurastronom - aufgefunden hatte. Dieser scheinbaren Ähnlichkeit wegen ersann Herschel 1785 für solche Nebelgebilde die äußerst unglückliche Bezeichnung Planetarische Nebel (englische Einzahl bzw. Kürzel: Planetary Nebula, PN).
Der auch als Saturnnebel bekannte NGC 7009 - entdeckt1782 von William Herschel im Wassermann. Rechts unten eingeblendet mit 3facher Drizzle-Vergrößerung
Erstmals Gas im All beschrieben
Die meisten Astronomen erklärten den Nebelschein damals als das gemeinsame Leuchten unzählbarer Sternchen. Jedes einzelne wäre viel zu schwach, um erspäht zu werden. Doch 1790 erblickte Herschel inmitten des Nebels NGC 1514 im Stier - heute mitunter Kristallkugelnebel (Crystal Ball Nebula) genannt - ganz klar einen einzelnen Stern. Die enorme Leuchtkraftdifferenz hätte nicht zu obigem Befund gepasst.
So hielt Herschel lieber einen Stoff von äußerster Zartheit für die Ursache des Nebelglühens: Er sprach erstmals von Gas im Weltraum. Wie Herschel meinte, würde sich dieses Gas immer mehr verdichten, um schließlich einen neuen Stern zu bilden. Tatsächlich sollte jedoch genau das Gegenteil der Fall sein.
NGC 6572 im Schlangentränger wird auch Smaragdnebel (Emerald Nebula) genannt
Das chemische Element Nebulium
Die Erfindung der Spektralanalyse machte deutlich: Das Spektrum von Sternen gleicht einem kontinuierlichen Regenbogenband, durchsetzt allerdings von feinen dunklen Linien. Diese Linien entpuppten sich gleichsam als die Fingerabdrücke der Elemente; sie machten chemische Fernanalysen aus vielen Lichtjahren Abstand möglich.
1864 nahm William Huggins einen von Herschel entdeckten Planetarischen Nebel ins Visier, den blaugrün schimmernden Katzenaugennebel im Sternbild Drache. Sein Spektrum sah verblüffend anders aus als das der Sterne. Statt eines Regenbogenbands bestand es aus ein paar einzelnen hellen Linien. Huggins ordnete sie einem hypothetischen, auf Erden unbekannten Element zu und taufte dieses Nebulium.
Erst 1927 wurde klar: Die Astronomen hatten es hier nicht mit einem neuen Element zu tun, sondern mit alt bekannten Elementen, die im Nebel unter extremen Bedingungen existierten. Besonders auffällig: Die grünen Linien des doppelt ionisierten Sauerstoffs (OIII) bei 493,1 nm und 495,9 nm, vor allem aber bei 500,7 nm. Dieser ionisierte Sauerstoff ist wiederum eingebettet in noch viel mächtigere Wolken aus blau-grün strahlendem Wasserstoff (H-Beta, 486 nm).
Die Ionisation setzte jedenfalls ein äußerst dünnes Nebelgas voraus.
Der Eskimonebel NGC 2392 zeigt viel Detail. Rechts unten mit 3x Drizzle vergrößert
Abgestoßene Sternhüllen
Gegen Ende ihres "Lebens" blähen sich Sterne vom Format unserer Sonne zu Roten Riesen auf. Ihr Durchmesser mag sich dabei verhundertfachen. Die Masse ist dabei freilich nicht gewachsen. Daher unterliegen die Regionen am Rande Goliaths kaum noch der stellaren Schwerkraft. Außerdem sind die Temperaturen dort so gering, dass Staubteilchen auskondensieren. Diese spüren den Strahlungsdruck des Sterns, ziehen davon und nehmen Gas mit.
Das Hüllengas wird im Verlauf von Jahrzehntausenden ins All geblasen. Der Masseverlust kann bei größeren Sternen bis zu einer ganzen Sonnenmasse betragen. Die Materie zieht mit über 50.000 km/h davon. Sie besteht fast zur Gänze aus Wasserstoff.
Beigemischt ist das, was zuvor bei den Fusionsprozessen entstanden ist: Helium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff, Neon, Argon. So legt sich eine ausgedehnte, kugelförmige Blase um den Stern. Der Materieabstoß kann auch in zeitlich getrennten Episoden geschehen: Dann gibt es nicht nur eine, sondern mehrere konzentrische Gashüllen.
Der Offene Sternhaufen M46 im Sternbild Achterdeck (Puppis). Darin steckt der Planetarische Nebel NGC 2438
Im Zentrum des Geschehens verleibt der nun praktisch freigelegte Sternenkern: Er wird zum Weißen Zwerg, etwa so klein wie unsere Erde aber hunderttausende Mal schwerer. Diese extrem dichte Sternleiche besteht aus Sauerstoff und Kohlenstoff. Sie kühlt langsam aus.
Das anfangs mehrere zehntausend Grad heiße Antlitz des Zwergs bombadiert seine Umgebung mit UV-Strahlung. In der umgebenden Gashülle reißt die energiereiche Strahlung Elektronen aus den Atomen. Die ionisierten Atome rekombinieren mit Elektronen. Dieser Vorgang lässt das Gas aufstrahlen, macht den Planetarischen Nebel erst sichtbar. Der doppelt ionisierte Sauerstoff hat zwei Elektronen verloren und strahlt in sattem Grün.
NGC 2371 mit unterschiedlichen Brennweiten bzw. Vergrößerungen
Im Ultrahochvakuum
Damit die Ionisation klappt, muss das Nebelgas unglaublich dünn sein. Auf Erden würde man von einem Ultrahochvakuum sprechen. Rasch expandierend, dünnt der Nebel weiter aus. Nach mehreren Jahrtausenden ist er zu dünn, um aus unserer Perspektive überhaupt noch erblickt zu werden.
NGC 6891 im Sternbild Delfin - ebenfalls ein Planetarischer Nebel
Ein Kurzzeit-Phänomen
Die Dauer des sichtbaren Nebelstadiums lässt sich in Relation zum ganzen Sternenleben mit ein oder zwei Stunden im Leben eines Menschen vergleichen. Bei einem einzigen Stern wäre es ein unfassbarer Zufall, genau jenen Moment mitzuerleben, wo er von einem Planetarischen Nebel umkränzt wird. Doch weil an die Milliarden Sterne in unserer Milchstraße existieren, machen wir in Summe tatsächlich einige Tausend dieser kurzlebigen Nebelgebilde aus.
M57, der Ringnebel im Sternbild Leier
Formenreichtum
Astronomen suchen noch immer nach Erklärungen für den Formenreichtum dieser Objekte, der sich teilweise schon Amateurastronomen erschließt. Ronald Stoyan nennt in seinem überaus empfehlenswerten Deep Sky Reiseführer Objekte mit Scheiben-, Ring-, Doppelring-, Hantel-, Doppelkern- und irregulärer Form.
Manche Planetarischen Nebel sind kugelrund. Ringförmige Gestalten sind solche Kugeln, bei denen wir die Ränder aus optischen Gründen heller wahrnehmen. Wo die Nebelmaterie aufs interstellare Medium (IM) trifft, ist die Nebelkante jedenfalls oft heller und schärfer begrenzt.
Elliptische Formen könnten sich durch einen stärkeren Massenverlust am Sternäquator erklären lassen, wo die Fliehkraft stärker als an den Polen auf das Hüllengas wirkt.
In engen Doppelsternsystemen fließt mitunter Material von einem Partner zum anderen über. Manchmal hüllt das Gas auch beide Sonnen ein. Der Bahndrehimpuls mag dann bipolare Nebelstrukturen erschaffen, die nicht mehr kugelsymmetrisch anmuten.
Konzentrische Strukturen dürften auf episodisch auftretendes Abstoßen von Hüllengas zurück zu führen sein.
NGC 6210 (bläulich, rechts), Spitzname: Turtle-Nebula. Mein Foto zeigt die "Beinchen" nicht, die Astronomen im 19. Jahrhundert an eine Wasserschildkröte erinnerten
So etwas hat nicht jeder
Wir wollen allerdings festhalten: Solche Gebilde wird es nicht um jeden beliebigen Stern geben. Sterne mit mehr als acht Sonnenmassen enden als Supernovae vom Typ II. Diese hinterlassen Supernovaüberreste, aber keine Planetarischen Nebel im oben erwähnten Sinn.
Im wesentlichen bleibt dieser Schmuck somit nur Sternen eines gewissen Massebereichs vorbehalten. Ein Bereich, in dem auch die Masse unserer Sonne liegt. Wahrscheinlich wird auch unser Stern in ferner Zukunft für kurze Zeit von einem Planetarischen Nebel umhüllt sein.
NGC 6572 im Schlangenträger zeigt wenig Struktur. Dreifaches Drizzle (Inset) hilft nicht
Gemeinsame Merkmale der Planetarischen Nebel
Planetarische Nebel besitzen recht unterschiedliche Erscheinungsformen. Gemein ist ihnen zumeist:
- Sie wirken aus unserer Perspektive meist recht klein, weil ja stellaren Ursprungs
- Sie weisen oft kugelige bzw. ringförmige Gestalt auf ...
- ... oder zeigen (aus umstrittenen Gründen) oft symetrische Formen
- In der Mitte steckt ein Zentralstern, dessen Strahlung das Leuchten antreibt
- Die Nebelgebilde leuchten meist grünlich, dank der OIII-Emissionen
Der planetarische Nebel NGC 3242 in der Wasserschlange
Beobachtungstechnik
Planetarische Nebel sind aus unserer entrückten Perspektive meist winzig. Das sorgt aber für eine überraschend hohe Flächenhelligkeit, ganz anders als z.B. bei Galaxien.
Die kleinsten Planetarischen Nebel sind nur wenige Bogensekunden groß und tragen das Attribut "stellar". Zur Identifikation hilft es, ein OIII-Filter zwischen Auge und Okular zu halten. Es belässt dem Nebel weitgehend seinen Glanz, während es die Fixsterne eindunkelt.
Die ausgedehnteren Planetarischen Nebel erscheinen im Teleskop etwa so groß wie Planeten unseres Sonnensystems. Bei ihnen versucht man, die Form des Umrisses festzuhalten oder sogar Details im Nebelscheibchen zu erspähen.
Bei den noch ausgedehnteren Nebeln verteilt sich das Licht auf eine allzu große Fläche, was die Beobachtung wieder erschwert - speziell dann, wenn der Himmelshintergrund nicht wirklich dunkel ist.
Die Zentralsterne leuchten schwächer als die Nebel selbst. Sie entziehen sich daher meist unserem Blick. Visuell sichtbar ist der Zentralstern z.B. beim NGC 6826 (Blinking Planetary) im Sternbild Schwan.
In seinem Deep Sky Reiseführer nennt Ronald Stoyan hier des weiteren den NGC 6543 (Katzenaugennebel) im Drachen, den NGC 2392 (Eskimonebel) in den Zwillingen oder den NGC 1535 (Kleopatras Auge) im Eridanus auf.
NGC 3242 (Jupiters Geist) in der Wasserschlange mit dreifach Drizzle
Aus der Erscheinungsform der meisten Planetarischen Nebel ergeben sich folgende beobachtungstechnische Konsequenzen:
- Man wählt bei diesen kleinen Gebilden hohe Vergrößerungen
- Ein passender Filter erhöht meist den Kontrast zum Himmelshintergrund
- Der lichtschwache Zentralstern ist selten beobachtbar
- Farbwahrnehmungen sind möglich
Grün ist eine seltene Farbe am Himmel, wenn man nicht gerade die Planeten Uranus oder Neptun betrachtet. Umso interessanter sind die Planetarischen Nebel - sofern ihr Glanz für die farbtüchtigen Zapfen unserer Netzhaut überhaupt ausreicht. Dann erspäht man ein gespenstisches Grün, ein Türkis oder ein lebhaftes Blau.
Meist reicht der Schimmer leider nicht. Dann muss man sich mit den Grautönen begnügen, welche die lichtempfindlicheren Stäbchen der Netzhaut liefern. Dabei wendet man gern das periphere oder indirekte Sehen an: Man starrt die Objekte nicht an, sondern blickt ganz bewusst ein wenig am Zielobjekt vorbei.
Gefiltertes Licht mittels Glasscheiben
Filter erhöhen den Kontrast eines Himmelsobjekts zum Himmelshintergrund. Bei den meisten Planetarischen Nebeln empfiehlt sich der Einsatz von Grünfiltern.
Im einfachsten Fall wählt man ein simples grünes Farbglas, wie es z.B. auch beim Planetenstudium zum Einsatz kommt (z.B. Wratten 56 oder 58). Es lässt die OIII-Emission weitgehend ungehindert passieren, dämpft aber Licht anderer Wellenlängen ein wenig.
Noch besser eignen sich Light-Pollution-Filter: Auch sie bevorzugen grüne Emissionen im Bereich um 500 nm, während sie z.B. das Licht von Natriumlampfen zu blockieren suchen.
Besonders dramatisch wirken UHC- oder OIII-Filter mit ihrem speziell engen Durchlassbereich bei 496 und 501 nm. Sie dunkeln den Himmelshintergrund stark ein, während das grüne Licht der meisten Planetarischen Nebel fast unbeschadet bleibt. Schwächere Sternchen entziehen sich beim Einsatz solcher Filter sogar unserem Blick.
Das betrifft dann allerdings auch den Zentralstern eines Planetarischen Nebels. Hält man den Filter zwischen Okular und Auge (normalerweise werden diese Gläser lieber ins unter Okularende geschraubt), so kann man ihn rasch in den Strahlengang schalten bzw. entfernen. Resultat: Der Zentralstern verschwindet und taucht wieder auf. Er blinkt gewissermaßen.
Die leider nicht mehr existierende Zeitschrift interstellarum hat vor etlichen Jahren verschiedene Nebelfilter unterschiedlicher Hersteller getestet. Der lehrreiche Artikel ist hier abrufbar.
Der NGC 6572 ist hell genug, um ein Spektrum erstellen zu können. Wir sehen vor allem das Licht des doppelt ionisierten Sauerstoffs (grün, O III) und des Wasserstoffs (rot, H Alpha). Schwächer leuchtet die bläuliche H Beta - Linie
Einige Planetarische Nebel
Berühmte Objekte für unsere Breiten sind z.B.:
Katalog-Nr. Spitzname Sternbild
NGC 7293 Helixnebel Wassermann
M56 Ringnebel Leier
M27 Hantelnebel Fuchs
NGC 3242 Jupiters Geist Wasserschlange
NGC 7009 Saturnnebel Wassermann
NGC 6543 Katzenaugennebel Drache
NGC 6572 Smaragdnabel Schlangenträger
NGC 7662 Blauer Schneeball Andromeda
NGC 7027 Schildkrätennebel Herkules
NGC 2392 Eskimonebel Zwillinge
M76 Kleiner Hantelnebel Perseus
M97 Eulennebel Großer Bär
Eine umfassendere Liste findet man hier in der englischsprachigen Wikipedia, zusammen mit hochauflösenden Fotografien.
NGC 6818 (Kleiner Juwelennebel) im Schützen. Rechts unten mit 3fach Drizzle
Beobachtungsaufgaben
- Wirkt der Nebel eher sternartig oder flächig?
- Wie schätzen Sie die Farbe des Objekts ein?
- Wie hängt der Anblick von der gewählten Vergrößerung ab?
- Wie würden Sie Form und Umriss des Nebels beschreiben?
- Sind Strukturen innerhalb des Nebelgebildes erkennbar?
- Können Sie den Zentralstern erspähen?
- Wie verändert ein Grünfilter bzw. Schmalbandfilter die Sichtbarkeit des Nebels?
- Wie verändert ein solcher Filter die Sichtbarkeit des Zentralsterns?
Besser bekomme ich den Eskimonebel nicht hin: 660 Aufnahmen zu je 10 Sekunden, ISO 1600, f=2050 mm, f/10, 3fach Drizzle
Fototipps
Himmelsfotografen sind auch bei Planetarischen Nebeln im Vorteil. Die Liste der für sie erfassbaren Objekte ist wesentlich länger als jene für visuell arbeitende Amateure.
Manche Desktop-Planetarien erlauben es, Himmelsobjekte je nach ihrem Typ einzufärben. Das von mir favorisierte Guide von Project Pluto stellt Planetarische Nebel auf Wunsch z.B. in grüner Farbe dar. So erkennet man sofort, wo derartige Gebilde am Himmel zu finden sind (siehe folgendes Foto).
Steuert man Kamera- und Teleskop mit der Software APT (Astro Photography Tool), braucht man die entsprechende Katalogbezeichnung des Objekts (beginnend mit M, NGC oder IC) nur noch aus einer umfangreichen Liste auswählen (Ausschnitt unten). Zwei Klicks, und das Fernrohr richtet sich auf den erwünschten Nebel aus.
Aufgrund ihrer Kleinheit erfordern die allermeisten Planetarischen Nebel lange Brennweiten. Man wird also durch ein Teleskop fotografieren, mit der DSLR oder einer CCD/CMOS-Cam. Dabei sind die Verfahren der Deep Sky Fotografie gefragt.
Besonders helle Planetarische Nebeln lassen sich wahrscheinlich sogar mit einer empfindlicheren Planetenkamera einfangen; in diesem Fall wählt man statt dessen die Verfahren der Planetenfotografie.
Um Nebeldetails besser sichtbar zu machen, wird man bei der Bildbearbeitung oft das (vergrößernd wirkende) Drizzle-Verfahren einsetzen. Die hohe Brennweite bzw. das Drizzling erfordern eine besonders gute Nachführung des Teleskops.
Andererseits wirken diese Nebel oft recht hell, was die Belichtungszeit pro Bild in Grenzen hält. Doch allzu kurz darf diese nicht sein. Das in der Deep Sky Fotografie angewandte Stackingverfahren erfordert nämlich eine höhere Anzahl von Fixsternen im Bildfeld. Beim Versuch, diese einzufangen, belichtet man die Planetarischen Nebel gern über.
UHC- bzw. OIII-Filter stehlen Fixsternen sehr viel Licht. Beim Einsatz solcher Filter mag die fürs Stacking nötige Anzahl von Fixsternen daher besonders leicht unterschritten werden.
Auf den fertigen Fotos sind Planetarische Nebel dank ihrer zumeist grünen Farbe jedenfalls leicht zu identifizieren.
Alle Angaben ohne Gewähr