Spurensuche im Nebel: Neue Erkenntnisse über massereiche Sterne

Ein internationales Team aus Astronom*innen hat mit neuen Daten der Europäischen Südsternwarte (ESO) die Lösung eines rätselhaften Phänomens gefunden und dabei frühere Forschungsarbeiten von HITS-Wissenschaftlern zu der Frage bestätigt, wie massereiche Sterne zu ihren starken Magnetfeldern kommen.

Astronom*innen und Astrophysiker*innen sind es gewohnt, in langen Zeiträumen von Millionen bis Milliarden von Jahren zu denken. Manchmal werden sie jedoch überrascht und beobachten Phänomene, die erst vor einigen tausend Jahren geschehen sind – ein Wimpernschlag in der Entwicklung der Sterne. Diese seltene Gelegenheit bot sich einem Team von Astronom*innen, als sie ein Sternenpaar im Herzen des sogenannten Drachenei-Nebels entdeckten. Einer der beiden Sterne ist deutlich jünger und verfügt, anders als der weniger massereiche, über ein starkes Magnetfeld. Zudem ist der Nebel nur 7500 Jahre alt und enthält sehr hohe Mengen an Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff – ein deutliches Anzeichen für ein dramatisches Ereignis, das – in astronomischen Dimensionen – erst vor kurzem stattgefunden hat.

Die Lösung eines atemberaubenden Rätsels: von 3 auf 2 plus Metallwolke

Das Sternsystem HD 148937 liegt ungefähr 3800 Lichtjahre von der Erde entfernt, im Sternbild Norma (Bild 1). „Ich war verblüfft, wie außergewöhnlich dieses System aussah”, sagt Abigail Frost (ESO), die Hauptautorin der Studie, die jetzt in „Science“ erschien. Um das Geheimnis zu lüften, sammelte das Team Daten aus neun Jahren von Instrumenten am Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der ESO in der chilenischen Atacamawüste und des FEROS-Instruments am La Silla-Observatorium der ESO.

„Nach einer detaillierten Analyse konnten wir feststellen, dass der massereichere Stern viel jünger zu sein scheint als sein Begleiter, was keinen Sinn ergibt, da sie zur gleichen Zeit entstanden sein müssten“, sagt Frost.

Der Altersunterschied – der eine Stern scheint mindestens 1,5 Millionen Jahre jünger zu sein als der andere – deutet darauf hin, dass etwas den massereicheren Stern verjüngt haben muss. Die Hypothese der Forschenden lautet deshalb, dass es ursprünglich drei Sterne in diesem System gab. „Die beiden inneren Sterne verschmolzen auf gewaltsame Weise, wodurch ein magnetischer Stern entstand. Dabei wurde einiges an Material herausgeschleudert, das den Nebel entstehen ließ“, so Hugues Sana (KU Leuven, Belgien), der die Beobachtungen leitete. „Der weiter entfernte Stern bildete eine neue Umlaufbahn mit dem neu verschmolzenen, nun magnetischen Stern, wobei der Doppelstern entstand, den wir heute im Zentrum des Nebels sehen.“

Ein Beweis für die Entstehung von Magnetfeldern in massereichen Sternen

Gleichzeitig hilft die Studie, ein langjähriges Rätsel der Astronomie zu lösen: wie massereiche Sterne ihre Magnetfelder erhalten. Während Magnetfelder bei massearmen Sternen wie unserer Sonne üblich sind, können massereichere Sterne Magnetfelder nicht auf die gleiche Weise aufrechterhalten. Dennoch sind einige massereiche Sterne stark magnetisch. Es wird vermutet, dass starke Magnetfelder bei der Kollision zweier Sterne entstehen.

Im Jahr 2019 testeten HITS-Forschende diese Hypothese – mit Erfolg (Bild 2). Mit einem neuartigen Simulationscode auf einem großen Rechencluster simulierten sie die Verschmelzung zweier massereicher Sterne und veröffentlichten ihre Ergebnisse in „Nature“. „Unsere Simulationen haben damals gezeigt, dass die erzeugten Magnetfelder sogar ausreichend waren, um zu erklären, wie die außergewöhnlich starken Magnetfelder entstehen, die in sogenannten Magnetaren vermutet werden“, sagt HITS-Gruppenleiter Fabian Schneider, der an der neuen Studie ebenfalls beteiligt ist. „Bei einer Kollision zweier Sterne werden Trümmer der Sternverschmelzung um den nun neu entstandenen Stern verteilt und sollten einen Nebel bilden, der für kurze Zeit sichtbar ist. Solch ein Nebel um einen scheinbar zu jungen und magnetischen Stern ist ein klares Indiz für die Fusionshypothese, und wir haben es endlich gefunden.“

Mit dieser Untersuchung haben Forschende zum ersten Mal einen solchen direkten Beweis für die Entstehung von Magnetismus in massereichen Sternen entdeckt. Und was für Astronom*innen noch aufregender ist: Im Falle von HD 148937 muss die Verschmelzung erst vor kurzem stattgefunden haben. Man nimmt an, dass der Magnetismus in massereichen Sternen im Vergleich zur Lebensdauer des Sterns nicht sehr lange anhält. „Es scheint also, dass wir dieses seltene Ereignis sehr kurz nach seiner Entstehung beobachtet haben“, fasst die Erstautorin Abigail Frost abschließend zusammen.

Publikation:

Frost et al: “A magnetic massive star has experienced a stellar merger”. Science https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7700

Wissenschaftlicher Kontakt:

Abigail Frost
European Southern Observatory. Santiago, Chile
Abigail.Frost@eso.org

Fabian Schneider
Group leader, Stellar Evolution Theory Gruppe
Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS)

Medienkontakt:
Dr. Peter Saueressig
Head of Communications
Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS)

Für das Projekt wurden Fördermittel des Europäischen Forschungsrats (ERC) im Rahmen des Programms der Europäischen Union für Forschung und Innovation „Horizont 2020“ bereitgestellt (Finanzhilfevereinbarung Nr. 945806).