Ein Sternenpaar zu Beginn einer gemeinsamen Hüllphase. In dieser künstlerischen Darstellung erhalten wir einen Blick aus der Nähe eines Doppelsternsystems, in dem zwei Sterne gerade begonnen haben, dieselbe Atmosphäre zu teilen. Der größere Stern, ein roter Riesenstern, hat für eine riesige, coole Atmosphäre gesorgt, die nur knapp zusammenhält. Der kleinere Stern kreist immer schneller um den Massenmittelpunkt der Sterne, dreht sich um seine eigene Achse und interagiert auf dramatische Weise mit seiner neuen Umgebung. die Wechselwirkung erzeugt starke Jets, die Gas von ihren Polen ausstoßen, und einen sich langsamer bewegenden Materialring an seinem Äquator. Bildnachweis: Danielle Futselaar, artsource.nl
Im Gegensatz zu unserer Sonne leben die meisten Sterne mit einem Gefährten zusammen. Manchmal kommen sich zwei so nahe, dass der eine den anderen verschlingt – mit weitreichenden Folgen. Als ein von Chalmers geführtes Astronomenteam das Teleskop benutzte ALMA 15 ungewöhnliche Sterne zu untersuchen, stellten sie überrascht fest, dass sie alle kürzlich diese Phase durchlaufen haben. Die Entdeckung verspricht neue Einblicke in die dramatischsten Phänomene des Himmels – und über Leben, Tod und Wiedergeburt unter den Sternen.
Mit dem gigantischen Teleskop ALMA in Chile untersuchte ein von Chalmers geleitetes Wissenschaftlerteam 15 ungewöhnliche Sterne in unserer Galaxie, den Milchstraße, die nächsten 5000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Ihre Messungen zeigen, dass alle Sterne doppelt sind und alle kürzlich eine seltene Phase durchgemacht haben, die kaum verstanden wird, aber vermutlich zu vielen anderen astronomischen Phänomenen führt. Ihre Ergebnisse werden diese Woche in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
Durch die Ausrichtung der Antennen von ALMA auf jeden Stern und die Messung des Lichts verschiedener Moleküle in der Nähe jedes Sterns hofften die Forscher, Hinweise auf ihre Vorgeschichte zu finden. Diese Sterne mit dem Spitznamen „Wasserfontänen“ waren Astronomen wegen ihres intensiven Lichts von Wassermolekülen bekannt – produziert von ungewöhnlich dichtem und sich schnell bewegendem Gas.
Die ALMA liegt 5000 m über dem Meeresspiegel in Chile und ist empfindlich für Licht mit Wellenlängen um einen Millimeter, das für das menschliche Auge unsichtbar ist, aber ideal, um durch die staubigen interstellaren Wolkenschichten der Milchstraße auf staubumhüllte Sterne zu schauen.
„Wir waren besonders neugierig auf diese Sterne, weil sie anscheinend Staub- und Gasmengen in den Weltraum blasen, einige in Form von Jets mit Geschwindigkeiten von bis zu 1.8 Millionen Stundenkilometern. Wir dachten, wir könnten Hinweise auf die Entstehung der Jets finden, aber stattdessen haben wir viel mehr gefunden“, sagt Theo Khouri, Erstautor der neuen Studie.
ALMAs Bild des Wasserfontänen-Sternsystems W43A, das etwa 7000 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Adler liegt. Der Doppelstern in seinem Zentrum ist viel zu klein, um in diesem Bild aufgelöst zu werden. Die Messungen von ALMA zeigen jedoch, dass die Interaktion der Sterne ihre unmittelbare Umgebung verändert hat. Die beiden Jets, die von den Zentralsternen ausgestoßen werden, sind in Blau (auf uns nähernd) und Rot (auf dem Rückzug) zu sehen. Von den Düsen mitgerissene Staubwolken werden in Pink dargestellt. Quelle: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), D. Tafoya et al.
Sterne verlieren bis zur Hälfte ihrer Gesamtmasse
Die Wissenschaftler verwendeten das Teleskop, um Signaturen von Kohlenmonoxidmolekülen, CO, im Licht der Sterne zu messen und Signale von verschiedenen Atomen (Isotopen) von Kohlenstoff und Sauerstoff zu vergleichen. Im Gegensatz zu seinem Schwestermolekül Kohlendioxid, CO2, ist Kohlenmonoxid relativ leicht im Weltraum zu entdecken und ein beliebtes Werkzeug für Astronomen.
„Dank der hervorragenden Empfindlichkeit von ALMA konnten wir die sehr schwachen Signale mehrerer verschiedener Moleküle in dem von diesen Sternen ausgestoßenen Gas nachweisen. Als wir uns die Daten genauer ansahen, sahen wir Details, mit denen wir wirklich nicht gerechnet hatten“, sagt Theo Khouri.
Die Beobachtungen bestätigten, dass die Sterne alle ihre äußeren Schichten abblasen. Aber die Proportionen der verschiedenen Sauerstoffatome in den Molekülen deuteten darauf hin, dass die Sterne auch in anderer Hinsicht nicht so extrem waren, wie sie geschienen hatten, erklärt Teammitglied Wouter Vlemmings, Astronom bei Chalmers.
„Wir haben festgestellt, dass diese Sterne ihr Leben mit der gleichen Masse wie die Sonne begonnen haben oder nur ein paar Mal mehr. Unsere Messungen haben nun gezeigt, dass sie allein in den letzten hundert Jahren bis zu 50% ihrer Gesamtmasse ausgestoßen haben. Ihnen muss etwas wirklich Dramatisches passiert sein“, sagt er.
Warum verloren so kleine Sterne so schnell so viel Masse? Die Beweise deuteten alle auf eine Erklärung hin, schlossen die Wissenschaftler. Dies waren alles Doppelsterne, und sie hatten alle gerade eine Phase durchgemacht, in der die beiden Sterne dieselbe Atmosphäre teilten – ein Stern war vom anderen vollständig umgeben.
„In dieser Phase kreisen die beiden Sterne in einer Art Kokon zusammen. Diese Phase, wir nennen sie „Common Envelope“-Phase, ist sehr kurz und dauert nur einige hundert Jahre. In astronomischer Hinsicht ist es im Handumdrehen vorbei“, sagt Teammitglied Daniel Tafoya.
Die meisten Sterne in Doppelsternsystemen kreisen einfach um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt. Diese Sterne teilen jedoch die gleiche Atmosphäre. Es kann für einen Stern eine lebensverändernde Erfahrung sein und kann sogar dazu führen, dass die Sterne vollständig verschmelzen.
Hinweise in die Zukunft
Wissenschaftler glauben, dass diese Art von intimer Episode zu einigen der spektakulärsten Phänomene des Himmels führen kann. Zu verstehen, wie es passiert, könnte helfen, einige der größten Fragen der Astronomen über das Leben und Sterben von Sternen zu beantworten, erklärt Theo Khouri.
„Was passiert, um eine Supernova-Explosion auszulösen? Wie kommen Schwarze Löcher nahe genug, um zu kollidieren? Was macht die schönen und symmetrischen Objekte aus, die wir planetarische Nebel nennen? Astronomen vermuten seit vielen Jahren, dass gemeinsame Hüllen Teil der Antworten auf solche Fragen sind. Jetzt haben wir eine neue Möglichkeit, diese bedeutsame, aber mysteriöse Phase zu untersuchen“, sagt er.
Das Verständnis der gemeinsamen Hüllphase wird den Wissenschaftlern auch helfen, zu untersuchen, was in sehr ferner Zukunft passieren wird, wenn auch die Sonne ein größerer, kühlerer Stern – ein roter Riese – wird und die innersten Planeten verschlingt.
„Unsere Forschung wird uns helfen zu verstehen, wie das passieren könnte, aber sie gibt mir eine andere, hoffnungsvollere Perspektive. Wenn sich diese Sterne umarmen, senden sie Staub und Gas in den Weltraum, die die Zutaten für kommende Generationen von Sternen und Planeten und damit das Potenzial für neues Leben werden können“, sagt Daniel Tafoya.
Da sich die 15 Sterne auf einer menschlichen Zeitskala zu entwickeln scheinen, plant das Team, sie weiterhin mit ALMA und anderen Radioteleskopen zu überwachen. Mit den zukünftigen Teleskopen des SKA-Observatoriums wollen sie untersuchen, wie die Sterne ihre Jets bilden und ihre Umgebung verändern. Sie hoffen auch, mehr zu finden – falls es welche gibt.
„Eigentlich denken wir, dass die bekannten „Wasserfontänen“ fast alle Systeme dieser Art in unserer gesamten Galaxie sein könnten. Wenn das stimmt, dann sind diese Sterne wirklich der Schlüssel zum Verständnis des seltsamsten, wunderbarsten und wichtigsten Prozesses, den zwei Sterne in ihrem gemeinsamen Leben erleben können“, schließt Theo Khouri.
Referenz: „Beobachtende Identifizierung einer Stichprobe wahrscheinlicher neuer Common-Envelope-Ereignisse“ von Theo Khouri, Wouter HT Vlemmings, Daniel Tafoya, Andrés F. Pérez-Sánchez, Carmen Sánchez Contreras, José F. Gómez, Hiroshi Imai und Raghvendra Sahai, 16 Dezember 2021, Natur Astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-021-01528-4
Die Forschungsarbeit ist in dem Artikel „Observational identification of a sample of wahrscheinlich Latest Common-Envelope Events“ in . veröffentlicht Naturastronomie, von Theo Khouri (Chalmers), Wouter HT Vlemmings (Chalmers), Daniel Tafoya (Chalmers), Andrés F. Pérez-Sánchez (Universität Leiden, Niederlande), Carmen Sánchez Contreras (Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), Spanien), José F. Gómez (Instituto de Astrofísica de Andalucía, CSIC, Spanien), Hiroshi Imai (Kagoshima-Universität, Japan) und Raghvendra Sahai (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, USA).
ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ist eine internationale Astronomieeinrichtung und ist eine Partnerschaft von ESO, der US National Science Foundation (NSF) und den National Institutes of Natural Sciences (NINS) von Japan in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. ALMA wird von der ESO im Namen ihrer Mitgliedstaaten, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem National Research Council of Canada (NRC) und dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie (MOST) und von NINS in Zusammenarbeit mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan finanziert und das Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).
Chalmers und Onsala Space Observatory sind seit seiner Gründung an ALMA beteiligt; Empfänger für das Teleskop sind einer von vielen Beiträgen. Das Onsala Space Observatory beherbergt das Nordic ALMA Regional Centre, das dem ALMA-Projekt technisches Know-how zur Verfügung stellt und Astronomen in den nordischen Ländern bei der Nutzung von ALMA unterstützt.
