Forscher um Dimitri Veras von der University of Warwick simulierten Kometenreservoire um Weiße Zwerge und stellten dabei fest, dass die eisigen Objekte aus den äußeren Bereichen der Systeme zwar selten, aber kontinuierlich in die inneren Regionen vordringen und in die Sterne fallen. Über einen Zeitraum von mehreren Milliarden Jahren hinweg können die Weißen Zwerge auf diese Weise Wasserstoff in den äußersten Schichten ihrer Hüllen ansammeln. Dieser Mechanismus erklärt Beobachtungen, nach denen der Wasserstoffgehalt in den Atmosphären mancher Weißer Zwerge mit dem Alter zunehmen.

Komet stürzt auf einen Weißen Zwerg
© NASA, JPL / Caltech
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Sterne mit Massen unterhalb von rund zehn Sonnenmassen verlagern gegen Ende ihrer Entwicklung die Fusion von Wasserstoff zu Helium aus dem Zentrum in ihre Hüllen, wachsen dabei zu Roten Riesen an und stoßen zuletzt ihre Hüllen ab. Zurück bleiben dichte Kerne mit bis zu 1,4 Sonnenmassen, deren Größe mit derjenigen der Erde vergleichbar ist. Diese so genannten Weißen Zwerge sind zwar heiß, aber klein. Das erklärt ihre Farbe und ihre geringen Helligkeiten. Wegen der hohen Dichte in ihrem Inneren werden die Atomhüllen zusammengepresst, so dass Quanteneffekte wirksam werden und die Körper gegen ihre eigene Schwerkraft stabilisieren. Die Weißen Zwerge bestehen zum größten Teil aus Kohlenstoff und Sauerstoff – den Fusionsprodukten ihrer Vorgängersterne. Diese sammeln sich wegen ihrer vergleichsweise hohen Atommassen im Inneren an. In den äußeren Hüllen – den Atmosphären – sammeln sich hingegen die leichten Elemente Helium und Wasserstoff. Ihre Anteile an der Gesamtmasse des Weißen Zwergs sind niedrig, doch dominieren sie die Spektren der Objekte.

Rund 20 Prozent der Weißen Zwerge in unserer kosmischen Nachbarschaft weisen Spektren auf, in denen Helium vorherrscht. Doch sie zeigen auch Anzeichen für geringe Gehalte von Wasserstoff und sogar schwerer Elemente. Interessanterweise steigt der Wasserstoffanteil mit dem Alter der Körper schrittweise an. Deswegen gehen Forscher davon aus, dass die Weißen Zwerge, während sie langsam auskühlen, Materie aufsammeln, die sich dann in den Spektren wiederspiegelt. Der Ursprung dieses Materials ist allerdings nicht hinlänglich geklärt. Das interstellare Medium kommt zwar generell dafür in Frage, die Verteilung und die Dichte von interstellarer Materie sprechen allerdings dagegen.

Daher gehen Forscher davon aus, dass das Material aus der unmittelbaren Umgebung der Weißen Zwerge akkretiert wird. Gelangen feste Körper in ihre Nähe, so können sie durch die Gezeiteneinwirkung zerrissen und unter Ausbildung einer Akkretionsscheibe angesammelt werden. Tatsächlich konnten Astronomen bereits Staub- und Gasscheiben um Weiße Zwerge beobachten. In der aktuellen Studie untersuchten die Wissenschaftler nun, ob insbesondere der Einfang von Kometen den Anstieg an Wasserstoff in den Weißen Zwergen erklären könnte. Dabei diente ihnen das Sonnensystem als Vorbild: Astronomen vermuten, dass ein Reservoir an Gesteins- und Eiskörpern unterschiedlicher Größe aus der Entstehung des Systems übrig geblieben ist und unseren Stern in Entfernungen von 2000 bis hin zu 100 000 Astronomischen Einheiten schalenförmig umschließt. Diese so genannte Oortsche Wolke ist der heutigen Auffassung nach der Ursprungsort der langperiodischen Kometen.

Die Oortsche Wolke
© ESA / AOES Medialab
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Die Darstellung verdeutlicht die Position der Oortschen Wolke im Verhältnis zum restlichen Sonnensystem. Von links nach rechts sind das innere und das äußere Planetensystem sowie die schalenförmige Wolke illustriert. Forscher vermuten, dass die Oortsche Wolke zahlreiche Körper unterschiedlicher Größe enthält und der Ursprung von langperiodischen Kometen ist.

In ihrer Simulation modellierten die Wissenschaftler ein solches System um Weiße Zwerge und stellten dabei fest, dass Objekte zwar selten, aber kontinuierlich aus einem solchen Reservoir in die inneren Regionen des Systems gelangen und dort als Kometen auf die Weißen Zwerge stürzen können. Auf diese Weise erklären sie den stetigen Anstieg des Wasserstoffgehalts in den Atmosphären der kompakten Körper. Obwohl die möglichen Störeinflüsse – wie galaktische Gezeitenkräfte und nahe Vorbeiflüge von Sternen – nur einmal in rund 10 000 Jahren ein solches Einfangen auslösen, reicht der Mechanismus aus, um in einem Zeitraum von rund zehn Milliarden Jahren bis zu eine Million Kometen auf die Zentralkörper einstürzen zu lassen. Dabei würden die Weißen Zwerge über den langen Zeitraum hinweg rund ein Zehntel der Mondmasse in Form von Wasserstoff ansammeln. Diese Größenordnungen stimmen mit den Beobachtungen von älteren Weißen Zwergen überein.