Einblick in die Entstehung eines massereichen Sterns
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WELT DER WISSENSCHAFT: KURZBERICHTE Ein entstehender Stern sammelt in dieser künstlerischen Darstellung aus einer ihn umgebenden rotierenden Scheibe Gas und ESO / Luis Calçada, Martin Kornmesser Staub auf. Durch diese Akkretion wächst seine Masse weiter an, bis schließlich der Strahlungsdruck weiteres Einströmen verhindert. Während einer zeitlich eng begrenzten Phase transportieren magnetisch gebündelte Jets Materie entlang der Polrichtungen ab. Bislang war ungeklärt, ob auch massereiche Sterne nach diesem Mechanismus entstehen. Einblick in die Entstehung eines massereichen Sterns Beobachtungen mit dem VLT-Interferometer lieferten ein erstes Infrarotbild der direkten Umgebung eines massereichen jungen Sterns. Es zeigt eine kompakte Struktur mit erstaunlicher Ähnlichkeit zu Staubscheiben um sonnenähnliche junge Sterne. F ür die moderne Astrophysik sind mas- Aufsammeln von Materie (Akkretion) geschlagen, nach dem massereiche Sterne sereiche Sterne mit mehr als acht bis über zirkumstellare Scheiben entstehen nicht durch eine einzelne zirkumstella- zehn Sonnenmassen von besonderer Be- oder ob ein weiterer Mechanismus nö- re Scheibe, sondern durch die Verschmel- deutung, da sie mit ihrer hohen Energie- tig ist, um die Entstehung der schwersten zung wenigstens zweier masseärmerer und Materieabstrahlung schon zu Lebzei- Sterne zu erklären (siehe Bild oben). Mit- Sterne entstehen. ten ihr kosmisches Umfeld dominieren. te der 1980er Jahre kamen verschiedene Um neue Einblicke in den Entstehungs- Später beenden diese Schwergewichte ih- Forschergruppen zu dem Schluss, dass prozess eines massereichen jungen Sterns ren Lebenszyklus in einer gewaltigen Su- oberhalb einer gewissen Massengrenze zu gewinnen, habe ich gemeinsam mit pernova-Explosion, die zur Bildung von der starke Strahlungsdruck den Materie- Kollegen aus Deutschland, Frankreich und schweren Elementen führt. einfall umkehren und das weitere Wachs- Italien erstmals interferometrische Mess- Trotz ihrer Bedeutung ist es immer tum des sich bildenden Protosterns stop- methoden im nahen Infrarot eingesetzt. noch unklar, ob massereiche Sterne eben- pen müsste. Daher wurden alternative Infrarot-Interferometer, wie das von der so wie sonnenähnliche Sterne durch das Prozesse wie das Koaleszenzmodell vor- Europäischen Südsternwarte in Chile be- Staubscheibe und bipolare Jets D a Spitzer – 3,6; 4,5; 8 mm un röm e sst chs Au a ieses Bildmosaik zeigt die Umgebung des Sterns IRAS 13481–6124 über Skalen von mehreren Lichtjahren (a, b) bis herunter zu einigen Astrono- mischen Einheiten (c). Auf den größten Skalen entdeckten Stefan Kraus und seine - gs Kollegen in Nahinfrarotaufnahmen des Weltraumteleskops Spitzer Hinweise auf zwei Stoßwellenfronten, die sich einer bipolaren Materieausströmung zuordnen lassen (a). Sie sind auch in den Radiobeobachtungen mit APEX sichtbar (b). In dem mit dem VLT-Interferometer erstellten interferometrischen Bild (c) entdeckten die Autoren eine kompakte Struktur, die senkrecht zur Ausströmungsachse ausgerichtet ist. Zur Bestimmung feinerer Details der Scheibengeometrie verwendeten sie ein Strahlungstransportmodell (d), das auf eine staubfreie Zone innerhalb von etwa rin 9,5 Astronomischen Einheiten um den Stern hinweist. 22 November 2010 3 Bogenminuten 600000 AE STERNE UND WELTRAUM triebene Very Large Telescope Interferometer (VLTI), überlagern das Licht mehrerer Einzelteleskope. Damit erzeugen sie das Auflösungsvermögen eines virtuellen Teleskops, dessen Spiegeldurchmesser dem maximalen Abstand der zusammengeschalteten Teleskope entspricht. Der von uns untersuchte Stern IRAS 13481–6124 ist ein massereiches Objekt von etwa 20 Sonnenmassen, das sich im Sternbild Zentaur in einer Entfernung von etwa 10 000 Lichtjahren befindet. Zum Nachdenken Die Staubscheibe von IRAS 13481-6124 D er heiße und massereiche Stern tronomische Einheit 1 AE 149,6 109 IRAS 13481–6124 ist von einer m. Man gebe die Leuchtkraft von IRAS kompakten Staub- und Gasscheibe um- 13481–6124 in Einheiten der Sonnen- geben. Das mit dem Infrarot-Interfe- leuchtkraft LA 3,846 1026 W an. rometer AMBER am VLT erstellte Bild Indizienbeweis durch einen ­gerichteten Jet zeigt eine Größe von 13 3 19 AE. Aufgabe 3: Der Stern besitzt die Leucht- In Archivaufnahmen des Weltraumtele- Aufgabe 1: Unter der Annahme, dass tions­ra­dien (in Einheiten von AE) erge- skops Spitzer entdeckten wir zwei Stoß- die kleinere Achse der Scheibe nur ben sich für die beiden Temperaturen? wellenfronten, die auf IRAS13481–6124 durch deren Neigung gegen die Sicht- zentriert sind und auf eine gerichtete Ma- linie zustande kommt, berechne man Aufgabe 4: Die Autoren der dem Kurzbe- terieausströmung hinweisen. Zusätzlich diese Neigung i. richt (links) zugrunde liegenden Arbeit kraft L 35 000 LA. Welche Sub­li­ma­ beschreiben beobachteten wir den jun­gen Stern auch den Temperaturverlauf mit dem 12-Meter-Radioteleskop APEX Aufgabe 2: Die Beobachtungen lassen ent­lang der Scheibe in radialer Richtung (Atacama Pathfinder Experiment) in Chi- erkennen, das der Bereich innerhalb des mit der Gleichung: le. Die erhaltene Karte im Submillimeter- Radius rin 9,5 AE frei von Staub ist. In bereich zeigt Kohlenmonoxidgas, das von der Zone um den Zentralkörper mit die- dem ausgestoßenen Material mitgerissen sem Radius verdampfen die Staubteil- wird (siehe Bild b unten). chen im Strahlungsbad des Sterns. Der Bei welchem Radius rE ist die Tem­pe­ Sublimationsradius, innerhalb dessen ra­tur T 0 °C 273 K der Eislinie er- die Verdampfung einsetzt, ist: reicht? Sie markiert den Abstand zum Solche gerichteten Ausströmungen nennen Astronomen Jets. Sie lassen sich häufig bei massearmen Sternen beobachten und liefern indirekte Hinweise für die Existenz einer den Stern umgebenden r –0,4 . T(r) 2000 K –– rin ( ) Stern, ab dem vermutlich die Eiskerne L –. rS ––––––– 4 4 a s Tsub der großen Gasplaneten heranwachsen. Welche Folgerung lässt sich aus Gas- und Staubscheibe. Nach den gegen- Man berechne daraus die Leuchtkraft wärtigen Theorien sorgen nämlich die L des Sterns. Dabei berücksichtigt der Magnetfelder einer kompakten Scheibe Geo­me­trie­fak­tor a das Abstrahlverhal- für die Beschleunigung und Fokussierung ten der Staubteilchen. Für die Teilchen Ihre Lösungen senden Sie bitte bis zum derartiger Jets. der Scheibe um IRAS 13481–6124 gelte 15. November 2010 an: Redak­tion SuW – Zur direkten Untersuchung der Schei- a 2 p. Man verwende für die Sublima- Zum Nach­denken, Max-Planck-Institut be beobachteten wir IRAS 13481–6124 mit tionstemperatur Tsub der Staubkörn- für As­tro­no­mie, Kö­nigstuhl 17, D-69117 dem VLTI-Instrument AMBER, dem Astro- chen die beiden Eckwerte 1500 K und Hei­­del­berg. Fax: 06221 528246. nomical Multi-Beam Combiner, wobei wir 2000 K. Die Stefan-Boltzmann-Konstan­ Einmal im Jahr werden unter den erfolg­­ reichen Lösern Preise verlost: siehe S. 125 drei der vier 1,8-Meter-Teleskope des VLTI te ist s 5,67 10 –8 W m–2 K–4, dem Ergebnis ziehen? die As- AMQ interferometrisch zusammenschalteten. APEX – CO-Linie c VLTI/Amber Bild 2,2 mm 30 Bogensekunden 0,006 Bogensekunden 100000 AE 20 AE www.astronomie-heute.de Bildauflösung d StrahlungstransportModellbild – 2,2 mm Stefan Kraus / Spitzer / IRAC / SuW-Grafik b 0,006 Bogensekunden 20 AE November 2010 23 Diese Scheiben strahlen das vom Stern er- Ausdehnung und Temperatur der Staubscheibe haltene Licht bei längeren Wellenlängen ab, wobei der Großteil der nah­in­fra­ro­ten U m die Ausdehnung der Staubscheibe um IRAS13481–6124 zu bestimmen, die Strahlung von heißem Staub am Innen- Licht im nahen Infrarot abstrahlt, teilten Stefan Kraus und Kollegen die gemes- rand der Staubscheiben stammt. Die Posi- senen interferometrischen Messgrößen in Positionswinkelabschnitte von je zehn tion des Scheibeninnenrands bestimmten Grad sowie in Wellenlängenabschnitte um 2,1, 2,3 und 2,5 Mikrometer auf. Durch wir anhand unser interferometrischen den Einsatz einfacher geometrischer Modelle zeigte sich, dass die Ausdehnung der Mes­sungen zu 9,5 Astronomischen Ein- Emissionsregion zu längeren Wellenlängen hin zunimmt (linkes Bild). Dies deutet heiten, was für einen Stern mit 35 000 Son- auf eine mögliche Abnahme der Temperatur nach außen hin. Mit einem detaillierten nenleuchtkräften auch ungefähr demje- Modell (rechtes Bild) bestimmten wir dann den Temperaturgradienten zu T(r) 2000 Kelvin (r/rin)–0,4 und entdeckten, dass die kompakte Struktur entlang der Aus- nigen Scheibenradius entspricht, an dem strömungsachse signifikant abgeplattet ist (rin ist der Radius der staubfreien Zone). ratur von 1500 bis 2000 Kelvin erreichen Staubteilchen ihre Verdampfungstempesollten. Temperaturgradientenmodell Temperaturgradientenmodell - gs un römse sst Au ach 22 Millibogensekunden Millibogensekunden 2,5 mm 2,3 mm 2,1 mm Entstehungsprozess wie bei sonnenähnlichen Sternen Des Weiteren stellten wir fest, dass die Grö­ße der Emissionsregion zu längeren Wel­len­län­gen hin zunimmt. Da längere Stefan Kraus / SuW-Grafik Gaussprofil-Modell Gaussprofil-Modell Wel­lenlän­gen niedrigeren Staubtemperaturen entsprechen, deutet dieses Ergebnis auf eine zu größeren Radien abfallende Temperaturverteilung hin. Der gemesse­ ne Temperaturgradient stimmt innerhalb der Messungenauigkeit mit den für junge Sterne im unteren und mittleren Massebereich (T-Tauri- und Herbig-Ae/Be-Ster­ Indem wir mit verschiedenen Teleskop- den (siehe Kasten oben). Die scheibenar- ne) gefundenen Werten überein (siehe Ka- konfigurationen beobachteten, konnten tige Struktur ist senkrecht zur Achse des sten links). wir mit Hilfe der so genannten Phasen- bipolaren Jets ausgerichtet. Anhand der Somit zeigt die Struktur der Scheibe schluss-Apertursynthese-Methode direkte gemessenen Abplattung lässt sich auf ei- um IRAS 13481–6124 verblüffende Ähn- interferometrische Bilder rekonstruieren. nen Neigungswinkel der Scheibe von etwa lichkeiten mit denjenigen Scheiben, die Damit gelang es uns erstmals, eine Schei- 40 Grad gegen die Sichtlinie des Beobach- um masseärmere junge Sterne gefun- be um einen jungen Stern abzubilden. Mit ters schließen. den wurden. Dies stärkt die Hypothese, einer Auflösung von rund zwei Millibo- Zur Charakterisierung der entdeckten dass zumindest Sterne von etwa 20 Son- gensekunden bietet das entstandene Bild Schei­be verwendeten wir verschiedene nenmassen ebenso wie sonnenähnliche eine bislang unerreichte Detailschärfe. Es geometrische sowie physikalische Model- Sterne durch Scheibenakkretion entste- zeigt eine abgeplattete Struktur mit der le. Die beste Übereinstimmung ergab sich hen können. Im Falle von IRAS 13481–6124 Ausdehnung 0,005 3 0,008 Bogensekun- mit Modellen für passive Staubscheiben. scheint die Haupt­ak­kre­tionsphase allerdings bereits abgeschlossen zu sein. Bei einem geschätzten Alter von 60 000 Jahren dürfte der Stern bald damit beginnen, die Scheibe durch seinen Strahlungsdruck und starke Sternwinde aufzulösen. Stefan Kraus Stefan Kraus promovierte am Max-PlanckInstitut für Radioastronomie in Bonn und forscht gegenwärtig als NASA Carl Sagan Fellow über Stern- und Planetenentstehung an der University of Michigan (USA). Stefan Kraus Die vier 1,8-Meter-Hilfsteleskope Literaturhinweis: erschließen dem VLT-Interferometer die Kraus, S., et al.: A hot compact dust disk around a massive young stellar object. Auflösung eines 200-Meter-Teleskops. In: Nature 466, S. 339 – 342, 2010. 24 November 2010 Sterne und Weltraum ALS ABONNENT HABEN SIE VIELE VORTEILE ! Abonnieren >>> Sie zahlen im Inland nur € 85,20 für das Jahresabonnement von Sterne und Weltraum (12 Ausgaben). Als Schüler, Student, Azubi, Wehr- oder Zivildienstleistender zahlen Sie auf Nachweis sogar nur € 64,–. >>> Unter www.astronomie-heute.de/archiv haben Sie freien Zugriff auf alle Heftartikel seit 2005. >>> Für Ihre Bestellung bedanken wir uns mit einem Präsent Ihrer Wahl. PRÄSENT ZUR WAHL WEITERE PRÄMIEN FINDEN SIE IM INTERNET Empfehlen Sie haben uns einen neuen Abonnenten vermittelt? Dann haben Sie sich eine Dankesprämie verdient und können zwischen mehreren Geschenken wählen. Das Buch »Unser Fenster zum Weltraum« präsentiert astronomische Entdeckungen aus 400 Jahren. Die beiliegende DVD bietet zudem reiches Zusatzmaterial wie Animationen, Computersimulationen und Experteninterviews. Der DriversChoice-Tankgutschein über € 30,– lässt Sie der nächsten Benzinpreiserhöhung deutlich gelassener entgegensehen. 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ltraum Sterne um um Ste ltraum Weltra Weltra ltra ltraum um Ste um ltraum ltraum und We rne und We Weltra und Weltra ltraum und We rne und Sterne und rne und Weltra und Weltra und We rne und We und We und We rne und We Sterne Ste rne rne Ste und rne rne Ste Ste Ste und Ste Ste um um Ste ltraum Weltraum Sterne Sterne Sterne um Ste Sterne um ltraum Weltra Weltraum Weltraum Weltra ltraum Weltraum um ltraum ltraum und We um und Weltra und We und We ltraum Weltra rne und Sterne und rne und und und We und We rne und Weltra Sterne Weltra We und Sterne rne Ste rne und rne rne rne und rne und Ste Ste Ste Ste Ste Ste Ste Ste rne und Sterne ltraum Weltraum Weltraum Sterne ltraum Sterne Sterne ltraum ltraum Weltraum ltraum ltraum ltraum ltraum ltraum um um um Ste um und We und und We und ltraum ltraum und We rne und We rne und We rne und We rne und We und We und und We und Weltra und Weltra und Weltra und Weltra und We Sterne Sterne um Sterne Sterne We rne rne rne rne Ste und Ste Ste Ste Ste Ste 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Weltraum ltraum um ltraum Weltraum Weltraum ltraum Ste Sterne Sterne und We und We Weltra und We und We Weltra Sterne um ltraum Weltraum ltra ltraum Weltraum ltraum Weltra We und We und We rne und und We rne und Sterne Sterne und ltraum Weltraum Sterne um Sterne ltraum rne und Sterne und rne und und We und We rne und und We und und We Ste Weltra Sterne und Sterne Sterne Sterne um Ste und We ltraum und Ste und We rne und ltraum um Sterne Weltra um Ste ltraum Sterne um Sterne um Ste Sterne um Sterne Sterne Weltra ltraum Weltraum Weltraum Weltraum Weltraum Sterne Sterne und We Sterne Ste Sterne Weltra um und We We Weltra rne und rne und ltraum ltra ltraum ltra ltraum um ltraum und und We Weltra um Sterne Weltra Weltraum Weltraum Weltraum Weltraum Sterne rne und Sterne und Sterne und Sterne und Sterne und Sterne und um Ste um Ste und We rne und We rne und We rne und We rne und We Weltra und We rne und und Sterne um Sterne um Ste Weltra um ltra rne und rne und und rne ltra und und um We 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Weltraum ltraum Weltraum Weltraum Sterne Sterne und We Sterne und We rne und und We rne und rne und ltra ltraum Weltraum Weltraum Weltraum ltra um ltraum ltraum ltraum um und um Ste ltraum und We und We und und und und und um Sterne Ste Sterne Sterne um Ste um Ste und und We und We und We Weltra und und We Weltra und We Weltra We und We Sterne um Sterne um Sterne Sterne um Sterne Sterne um Sterne Sterne Weltra Weltra um ltraum ltra um Sterne um Sterne Sterne Sterne Sterne um um um Sterne um Sterne um Weltra Sterne Sterne und Sterne und Sterne und Sterne und Sterne und rne und Weltra ltra Sterne Weltra und Weltra Weltra und We Sterne und rne und We rne und Weltra Ste Weltra Weltra Weltra ltraum ltraum ltra ltraum ltraum Weltraum um um um und We um Weltra ltraum ltraum Ste Sterne Ste rne und Sterne rne und Sterne und Sterne und ltraum ltraum um rne und Sterne und rne und We rne und und We rne und We rne und We und We Weltra und We Weltra Weltra Weltraum We Sterne Weltra und um Ste We Ste 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Ste Ste ltra Ste We Ste ltra und um Sterne und um Sterne Weltra Sterne Weltra und We und We Sterne Sterne rne und rne und Sterne Sterne und Sterne und Sterne um Ste Sterne rne und ltraum ltraum Weltraum Weltraum und We Weltra Sterne um Ste Weltra Sterne Ste Sterne Weltra rne und Sterne und ltraum Weltraum Weltraum Weltraum Weltraum ltraum Weltraum Weltraum Sterne Sterne um Ste und We Sterne und We rne und und rne und rne und ltra ltraum Weltraum Weltraum Weltraum um ltraum ltraum ltraum um und um Ste ltraum und We und We und und und und und Weltra um Sterne Ste Sterne Sterne um Ste um Ste und und We und We Weltra und und We Weltra und We rne und Weltra We und We Sterne um Sterne um Sterne Sterne um Sterne Sterne um Sterne Sterne Weltra Weltra ltraum ltra Sterne um Sterne Sterne Ste Sterne Sterne um Sterne um Weltra Sterne Sterne und Sterne und Sterne und Sterne und Sterne und rne und Weltra ltra ltraum ltraum Weltraum Weltraum Sterne Weltra und We Sterne und rne und We rne und Ste Weltra Weltra Weltraum ltraum Weltraum Weltraum ltraum Weltraum um um um und We um und We rne und Weltra ltraum ltraum und We um und um und We und We und Ste ltra ltra ltra rne We ltra Sterne Ste rne rne ltra ltra und um rne und und und We und We We Ste Ste ltraum und um Ste Ste und Sterne Sterne um Ste ltra Sterne Sterne und Sterne und We und We um und We rne und und We Sterne Sterne ltraum Weltra Weltraum Weltraum Sterne um Sterne um Sterne und We rne und Sterne Sterne und Sterne und und We ltra um um ltraum ltraum Weltraum Weltra Weltraum Sterne Sterne um Ste Sterne und We Sterne und Sterne um Ste um um und ltraum Weltraum ltraum Weltraum und Sterne um um und We rne und Weltra um um Weltra und We und Weltra und Weltra und We rne und ltra We und ltra ltra We um rne rne ltra ltra um rne ltra ltra und rne Sterne We und rne We We Ste ltra Ste Ste und und und Ste Ste rne und Sterne um Ste ltraum und Weltra Weltra rne und rne und und We rne und We und We Sterne um Sterne und We und We Sterne um Ste um Sterne um Sterne um Ste Sterne ltraum Weltraum ltra um Sterne ltraum Sterne Ste und We rne um um ltraum Sterne um Ste um Ste um rne und Sterne und rne und Sterne um Sterne Weltra und Weltra und Weltra ltra und We und um und We und Weltra um um Weltra und We rne und Ste Weltra um Ste um Ste ltraum Weltra und Weltra und We und We Weltra und Weltra Weltraum Weltraum rne ltra rne ltra rne ltra rne ltra rne We um ltra und um und um rne Sterne und Ste We und We Ste Ste Ste ltra Ste Ste ltra und ltra um und Sterne und We rne und um und We Sterne Weltra Sterne und We und We Sterne Sterne Sterne Sterne und Sterne und Sterne um Ste Sterne ltraum ltraum Weltraum Weltraum und We Sterne und We rne und Weltra Ste Weltra Sterne Sterne um Sterne Sterne Weltra ltraum Weltraum Weltraum Weltraum Weltraum ltraum Weltraum Weltraum Sterne Sterne um und We Sterne und We rne und Ste Sterne um und rne und rne und ltraum Weltraum Weltraum Weltraum ltra um ltraum und und We und We und und undder 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und We und We rne und und We um Ste ltraum Sterne um um um ltraum Weltra Weltraum Weltraum Sterne um Sterne um Sterne und We rne und um Sterne Sterne und Sterne und We um Sterne Sterne um Ste Sterne Weltra und Weltra und Weltra und We ltra ltra und We Sterne und Weltra und Weltra Weltraum Weltra Sterne um Ste um um und ltraum Weltraum ltraum Weltraum und um We um um We und rne ltra We und ltra ltra We um rne rne rne ltra ltra rne ltra ltra und und Ste We We Ste ltra Ste Ste und und und und We We Sterne um Sterne um Ste rne und Sterne und und We Sterne um Sterne Sterne ltraum und We rne und We und We Sterne um rne und Sterne und rne und Sterne um Sterne um Ste Sterne um Sterne ltraum Weltraum rne und ltra um Sterne ltraum und We um Sterne Ste Ste Weltra und Weltra und Weltra Sterne Weltra ltra um ltraum Weltraum Weltraum ltraum Ste ltraum und We um und um Ste um und We und Weltra Weltra um um Weltra und We rne und We We um ltra We und rne ltra rne ltra rne ltra rne ltra rne ltra und rne 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Ste und We um Sterne Sterne und We Ste Sterne um Sterne um Ste ltraum Sterne Sterne und Sterne und Sterne und Sterne ltraum Weltra Weltraum Weltraum Sterne um Sterne um Sterne Sterne und We ltra um um ltraum ltraum Weltraum Weltra Weltraum und We Sterne und und ltraum Weltraum ltraum und ltraum und We rne und Weltra Weltra und und We und Weltra und Weltra und We und Sterne Sterne Sterne und und We und We rne und We Sterne um Sterne um Sterne um Ste rne und Sterne und Sterne um Sterne Sterne ltraum Sterne um Sterne um Sterne um Ste Sterne um Ste ltraum Weltraum ltra ltra um und We Weltra und Weltra und Weltra und We ltra ltraum Weltraum Weltra ltra ltraum Weltraum Weltraum und We und und We und Weltra We We und We We und rne rne rne rne rne rne und und und und rne Ste und und Ste und Ste Ste Ste Ste Sterne um Sterne um Sterne Sterne Sterne Sterne Sterne Sterne um Ste Sterne ltraum ltraum Weltraum Weltraum Weltra Weltra Weltra ltraum Weltraum Weltraum Weltraum Weltraum ltraum Weltraum 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