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Sternphysik: Wenn die Chemie nicht stimmt

Dem Chemiecocktail unserer Sonne mangelt es an einer Zutat - zumindest auf der Oberfläche. Schuld daran könnten die umliegenden Planeten sein.
Protoplanetare Scheibe eines jungen PlanetensystemsLaden...
So sehr sich Sterne auch unterscheiden mögen, ihre Entstehungsgeschichte sollte stets die gleiche sein: Eine gigantische Gas- und Staubwolke stürzt unter der eigenen Schwerkraft zusammen, bis sich in ihrem Kern schließlich ein dichter, glühender Gasball formt. Die Zutaten bestehen dabei zu fast 99 Prozent aus den leichten Elementen Wasserstoff, Helium sowie in geringerem Maße Lithium, die sich bereits wenige Minuten nach dem Urknall gebildet hatten. Außerdem finden sich auch winzige Mengen an schwereren Atomen im Urnebel – die Überreste längst vergangener Sterne.

SonnenoberflächeLaden...
Sonnenoberfläche | Auf der Sonnenoberfläche mangelt es am Alkalimetall Lithium: Die beobachteten Mengen sind 140-mal geringer als in der Gas- und Staubwolke, aus der sich die Sonne formte. Und immerhin rund 50-mal geringer als in jungen sonnenähnlichen Sternen.
Auch unser Sonnensystem ging vor rund viereinhalb Milliarden Jahren aus diesem Gemisch hervor. Die urzeitlichen Elementhäufigkeiten lassen sich noch heute in bestimmten Metoriten wiederfinden und auch an der Sonnenoberfläche sollten sie zu beobachten sein. Und tatsächlich: Für die meisten Elemente stimmen die Werte gut überein. Nur das Alkalimetall Lithium will nicht ins Bild passen – die beobachteten Mengen sind 140-mal geringer als in der Gas- und Staubwolke, aus der sich die Sonne formte. Und immerhin rund 50-mal geringer als in jungen sonnenähnlichen Sternen.

Dabei bildet die Sonne keine Ausnahme, auch andere Sterne zeigen einen erheblichen Mangel an diesem Element. Den Grund vermuten Astronomen in der mangelnden Stabilität des Alkalimetalls: Bereits ab Temperaturen von 2,5 Millionen Grad Celsius wandelt es sich in andere Elemente um.

Lithium gibt Rätsel auf

Hat unsere Sonne ihren ursprünglichen Lithiumvorrat also einfach verbrannt? Nein, sagen Astronomen, denn ihre Konvektionszone – in der Materie auf- und abströmt – erstreckt sich nicht tief genug ins Innere und damit in genügend heiße Regionen, in denen Lithium verbrennen würde. Allein in ihrer Jugend, als die konvektive Zone noch größer war, hätte ein Teil des Lithiums auf diese Weise verschwinden können. Doch wie die Diskrepanz zu den jugendlichen Exemplaren zeigt, ist auch später noch Lithium zerstört worden. Andere Mechanismen, wie etwa ein Absinken des Alkalimetalls, können ebenfalls nicht für den beobachteten Verlust aufkommen.

Gasriese vor seinem MuttersternLaden...
Gasriese vor seinem Mutterstern | Sonnenähnliche Sterne weisen ein breites Spektrum an Lithiumhäufigkeiten auf. Dabei stellte sich heraus, dass Sterne mit Planetensystem meist am wenigsten Lithium besitzen.
Noch rätselhafter wird die Angelegenheit bei einem Blick auf Sterne mit demselben Alter, derselben Masse und Zusammensetzung wie die Sonne: Sie weisen ein breites Spektrum an Lithiumhäufigkeiten auf, obwohl die Gas- und Staubwolken, aus denen sie hervorgingen, nahezu identische Zusammensetzungen besessen haben sollten. Das bestätigen nun auch Astronomen um Garik Israelian vom Instituto de Astrofísica de Canarias auf Teneriffa. Sie analysierten die Spektren von 84 sonnenähnlichen Sternen.

Einige besaßen weniger als ein Prozent der primordialen Lithiumhäufigkeit, andere etwa zehn Prozent. Dabei stellte sich heraus, dass Sterne mit Planetensystem bis auf zwei Ausnahmen einen extrem niedrigen Lithiumgehalt besitzen. "Wie auch unsere Sonne waren diese Sterne anscheinend sehr effizient darin, das ursprünglich vorhandene Lithium zu zerstören", kommentiert Co-Autor Nuno Santos von der Universidade de Porto in Portugal. Die Werte für Gestirne ohne bekannten Anhang (60 Stück) schwankten dagegen stärker.

Praktisches Werkzeug

Und so spekulieren Israelian und sein Team, dass die Lösung für das Lithium-Problem womöglich in der Interaktion zwischen den Sonnen und ihren Trabanten liegt. Eine eindeutige Korrelation lässt sich aus den Daten allerdings noch nicht ableiten.

Zudem ist noch völlig unklar, auf welche Weise das Lithium in den Sternen vernichtet wird. Vielleicht würden entstehende Sterne durch die Anwesenheit von Planeten oder einer protoplanetaren Scheibe in ihrer Rotation beeinflusst, mutmaßen die Wissenschaftler. Das Oberflächenmaterial würde dadurch tiefer als gewöhnlich ins Innere gemischt – dorthin, wo die Temperaturen hoch genug sind, um das Lithium zu zerstören. Dabei gäbe es mehrere physikalische Mechanismen, die den Materiefluss im Innern eines Sterns abwandeln könnten.

"Es liegt nun an den Theoretikern herauszufinden, welcher am wahrscheinlichsten ist", meint Teammitglied Michel Mayor vom Observatoire de Genève in der Schweiz. Die Praktiker könnten aber bereits jetzt von den Ergebnissen profitieren: Wenn der Lithiumgehalt tatsächlich anzeigt, ob ein Stern von Planeten umrundet wird, gäbe dies Planetensuchern ein praktisches Werkzeug an die Hand. Denn sie könnten im Vorfeld entscheiden, bei welchen Sonnen es sich lohnt genauer hinzusehen.
46. KW 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 46. KW 2009

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  • Quellen
Israelian, G. et al.: Enhanced lithium depletion in Sun-like stars with orbiting planets. In: Nature 462, S. 189–191, 2009.

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