Kosmologie: Riesen, im Nebel geboren
Zwei internationale Forscherteams haben erstmals Gas- und Staubscheiben um entstehende Riesensterne gezeigt. Ihr Fund hilft, ein altes Rätsel zu lösen: Wie entstehen stellare Giganten?
© Christine Pulliam (Ausschnitt)
Verglichen mit der Erde ist unsere Sonne ein Koloss: Sie bringt etwa 340 000 Mal so viel Masse auf die Waage und ist 120 Mal so dick. Das mag gewaltig erscheinen, aber: Es gibt noch wesentlich größere Gestirne, denen gegenüber die Sonne wie eine mickrige Murmel erscheint. Einer davon ist Beteigeuze im Sternbild Orion: Er hat den 280fachen Durchmesser und die zwanzigfache Masse der Sonne.
Solche Giganten geben den Astronomen allerhand Rätsel auf. Eins davon lautet: Wie entstehen diese Monster eigentlich? Bei relativ massearmen Sternen – solchen wie unsere Sonne – haben die Forscher ziemlich genaue Vorstellungen: Am Anfang steht eine riesige Gas- und Staubwolke, die sich langsam um sich selbst dreht. Sie stürzt unter ihrem eigenen Gewicht allmählich in sich zusammen, wodurch sie sich abflacht und die in ihr enthaltene Materie immer stärker zusammengedrückt wird. Im Zentrum bildet sich eine zunehmend dichte und heiße Gaskugel, die mit großer Geschwindigkeit rotiert und auf Grund ihrer Schwerkraft immer noch weiteres Material aus der Umgebung anzieht. Je mehr in die Kugel hineinstürzt, desto heißer wird sie; irgendwann sind die Dichte und die Temperatur im Zentrum so hoch, dass dort spontan die Kernfusion einsetzt. Es entstehen gewaltige Wärme- und Lichtmengen, die nach außen abstrahlen und die Materie in der Umgebung fortblasen.
Das Problem ist nun, dass die Größe des entstehenden Sterns auf diesem Weg offenkundig begrenzt ist. Denn in dem Moment, wo das Fusionsfeuer zu lodern anfängt und die Strahlung nach außen drückt, ist die Massenanhäufung abgeschlossen: Wegen des Strahlungsdrucks kann kein weiteres Material auf die Oberfläche des entstehenden Sterns fallen. "Bei Gestirnen, die mehr als viermal so schwer wie die Sonne sind, haben wir keine rechte Erklärung, wie sie zu ihrer Masse kommen", sagt Hans Ulrich Käufl von der Europäischen Südsternwarte.
Deshalb glauben einige Forscher, dass massereiche Sterne nicht aus einer einzigen kollabierenden Gaswolke hervorgehen, sondern aus der Verschmelzung mehrerer kleiner Gestirne. Unglücklicherweise ist die Beweislage äußerst dünn – sowohl für die eine als auch für die andere These. "Je schwerer ein Stern, desto schneller verbraucht er seinen Brennstoff und desto kürzer ist seine Lebensdauer, weshalb Riesengestirne nur relativ selten vorkommen", erklärt Käufl. Folglich könne man sie auch nur selten beobachten. Und die bekannten stellaren Giganten sind allesamt sehr weit von der Erde weg – die nächsten befinden sich 1500 Lichtjahre entfernt. "Deshalb konnte man sie bislang nur schlecht untersuchen – das Auflösungsvermögen der Instrumente reichte nicht aus", so Käufl.
Nun ist etwas Licht ins Dunkel dieses Rätsels gekommen. Mit Hilfe des Submillimeter Array auf Hawaii nahm ein Forscherteam um Nimesh Patel im Sternbild Kepheus einen jungen Stern mit 15facher Sonnenmasse ins Visier. Der Astrophysiker vom Harvard Smithsonian Center for Astrophysics und seine Kollegen konnten zeigen, dass der Riese von einer Gas- und Staubscheibe, einer so genannten Akkretionsscheibe, umgeben ist . Es ist der erste Fund einer solchen Scheibe um einen entstehenden Riesenstern. "Das Auflösungsvermögen des neuen Radioteleskops auf Hawaii ist wesentlich höher als bei bisherigen Radioteleskopen", sagt Karl Menten, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Erst damit sei es möglich gewesen, den stellaren Giganten genauer zu untersuchen und die Akkretionsscheibe ausfindig zu machen, von der er umgeben ist.
Die Entdeckung der Astronomen spricht dafür, dass auch Riesensterne – ähnlich wie kleine und mittlere Sonnen – aus der Verdichtung von Gas- und Staubwolken hervorgehen können. Der genaue Mechanismus ist jedoch noch weit gehend unklar. Immerhin belegt der Fund, dass es nicht unbedingt der Kollision mehrerer Sterne bedarf, um einen stellaren Giganten hervorzubringen.
Untermauert werden die Ergebnisse von einer weiteren Arbeit: Ein Team um den chinesischen Astronomen Zhibo Jiang vom Purple Mountain Observatory hatte das Becklin-Neugebauer-Objekt untersucht, einen 1500 Lichtjahre entfernten Protostern im Sternbild Orion, der mindestens die siebenfache Masse der Sonne aufweist. Die Forscher analysierten die Streuung und Polarisation des Sternlichts, und auch sie fanden starke Hinweise auf eine Akkretionsscheibe [2].
"Diese Ergebnisse sind eine schöne Bestätigung dessen, was wir schon seit längerer Zeit vermuten: Auch stellare Riesen können aus der Verdichtung von Gas- und Staubwolken hervorgehen. Wie das freilich genau abläuft, bleibt zu klären", sagt Menten. Indirekte Hinweise auf Akkretionsscheiben um massereiche Sterne hätte es schon seit Jahren gegeben, doch die neuen Studien hätten sie erstmals deutlich gezeigt. Das schließt jedoch nicht aus, dass gelegentlich auch kleinere Sterne verschmelzen und dabei größere Gestirne hervorbringen. Vermutlich kommt beides vor – abhängig von den jeweils herrschenden Umgebungsbedingungen im Kosmos.
Solche Giganten geben den Astronomen allerhand Rätsel auf. Eins davon lautet: Wie entstehen diese Monster eigentlich? Bei relativ massearmen Sternen – solchen wie unsere Sonne – haben die Forscher ziemlich genaue Vorstellungen: Am Anfang steht eine riesige Gas- und Staubwolke, die sich langsam um sich selbst dreht. Sie stürzt unter ihrem eigenen Gewicht allmählich in sich zusammen, wodurch sie sich abflacht und die in ihr enthaltene Materie immer stärker zusammengedrückt wird. Im Zentrum bildet sich eine zunehmend dichte und heiße Gaskugel, die mit großer Geschwindigkeit rotiert und auf Grund ihrer Schwerkraft immer noch weiteres Material aus der Umgebung anzieht. Je mehr in die Kugel hineinstürzt, desto heißer wird sie; irgendwann sind die Dichte und die Temperatur im Zentrum so hoch, dass dort spontan die Kernfusion einsetzt. Es entstehen gewaltige Wärme- und Lichtmengen, die nach außen abstrahlen und die Materie in der Umgebung fortblasen.
Das Problem ist nun, dass die Größe des entstehenden Sterns auf diesem Weg offenkundig begrenzt ist. Denn in dem Moment, wo das Fusionsfeuer zu lodern anfängt und die Strahlung nach außen drückt, ist die Massenanhäufung abgeschlossen: Wegen des Strahlungsdrucks kann kein weiteres Material auf die Oberfläche des entstehenden Sterns fallen. "Bei Gestirnen, die mehr als viermal so schwer wie die Sonne sind, haben wir keine rechte Erklärung, wie sie zu ihrer Masse kommen", sagt Hans Ulrich Käufl von der Europäischen Südsternwarte.
Deshalb glauben einige Forscher, dass massereiche Sterne nicht aus einer einzigen kollabierenden Gaswolke hervorgehen, sondern aus der Verschmelzung mehrerer kleiner Gestirne. Unglücklicherweise ist die Beweislage äußerst dünn – sowohl für die eine als auch für die andere These. "Je schwerer ein Stern, desto schneller verbraucht er seinen Brennstoff und desto kürzer ist seine Lebensdauer, weshalb Riesengestirne nur relativ selten vorkommen", erklärt Käufl. Folglich könne man sie auch nur selten beobachten. Und die bekannten stellaren Giganten sind allesamt sehr weit von der Erde weg – die nächsten befinden sich 1500 Lichtjahre entfernt. "Deshalb konnte man sie bislang nur schlecht untersuchen – das Auflösungsvermögen der Instrumente reichte nicht aus", so Käufl.
Nun ist etwas Licht ins Dunkel dieses Rätsels gekommen. Mit Hilfe des Submillimeter Array auf Hawaii nahm ein Forscherteam um Nimesh Patel im Sternbild Kepheus einen jungen Stern mit 15facher Sonnenmasse ins Visier. Der Astrophysiker vom Harvard Smithsonian Center for Astrophysics und seine Kollegen konnten zeigen, dass der Riese von einer Gas- und Staubscheibe, einer so genannten Akkretionsscheibe, umgeben ist . Es ist der erste Fund einer solchen Scheibe um einen entstehenden Riesenstern. "Das Auflösungsvermögen des neuen Radioteleskops auf Hawaii ist wesentlich höher als bei bisherigen Radioteleskopen", sagt Karl Menten, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Erst damit sei es möglich gewesen, den stellaren Giganten genauer zu untersuchen und die Akkretionsscheibe ausfindig zu machen, von der er umgeben ist.
Die Entdeckung der Astronomen spricht dafür, dass auch Riesensterne – ähnlich wie kleine und mittlere Sonnen – aus der Verdichtung von Gas- und Staubwolken hervorgehen können. Der genaue Mechanismus ist jedoch noch weit gehend unklar. Immerhin belegt der Fund, dass es nicht unbedingt der Kollision mehrerer Sterne bedarf, um einen stellaren Giganten hervorzubringen.
Untermauert werden die Ergebnisse von einer weiteren Arbeit: Ein Team um den chinesischen Astronomen Zhibo Jiang vom Purple Mountain Observatory hatte das Becklin-Neugebauer-Objekt untersucht, einen 1500 Lichtjahre entfernten Protostern im Sternbild Orion, der mindestens die siebenfache Masse der Sonne aufweist. Die Forscher analysierten die Streuung und Polarisation des Sternlichts, und auch sie fanden starke Hinweise auf eine Akkretionsscheibe [2].
"Diese Ergebnisse sind eine schöne Bestätigung dessen, was wir schon seit längerer Zeit vermuten: Auch stellare Riesen können aus der Verdichtung von Gas- und Staubwolken hervorgehen. Wie das freilich genau abläuft, bleibt zu klären", sagt Menten. Indirekte Hinweise auf Akkretionsscheiben um massereiche Sterne hätte es schon seit Jahren gegeben, doch die neuen Studien hätten sie erstmals deutlich gezeigt. Das schließt jedoch nicht aus, dass gelegentlich auch kleinere Sterne verschmelzen und dabei größere Gestirne hervorbringen. Vermutlich kommt beides vor – abhängig von den jeweils herrschenden Umgebungsbedingungen im Kosmos.
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