Jul 27

Weißer Zwerg heizt rotem Zwergstern mit mysteriöser Strahlung mächtig ein

Astronomen haben mit dem Very Large Telescope der ESO und weiteren bodengebundenen sowie weltraumbasierten Teleskopen einen neuen Typ exotischer Doppelsternsysteme entdeckt. Im Sternsystem AR Scorpii beschleunigt ein sich schnell um seine eigene Achse drehender Weißer Zwerg Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Diese hochenergetischen Teilchen erzeugen Strahlungsschübe, die auf den ihn begleitenden roten Zwergstern einprasseln und das gesamte System alle 1,97 Minuten mit Strahlung vom Ultravioletten bis zum Radiobereich pulsieren lassen. Die dazugehörige Studie erscheint am 28. Juli 2016 in der Zeitschrift Nature.

Im Mai 2015 wurde eine Gruppe von Amateurastronomen aus Deutschland, Belgien und Großbritannien auf ein Sternsystem aufmerksam, das ein Verhalten zeigte, das man so noch nie zuvor beobachtet hatte. Nachfolgebeobachtungen unter der Führung der University of Warwick mit einer Reihe von bodengebundenen und weltraumbasierten Teleskopen [1] haben nun die wahre Natur dieses zuvor fehlidentifizierten Systems enthüllt.

Das Sternsystem AR Scorpii (kurz AR Sco), befindet sich in einer Entfernung von 380 Lichtjahren von der Erde im Sternbild Scorpius. Es besteht aus einem sich schnell um seine eigene Achse drehenden Weißen Zwerg [2], der bei einer Größe, die in etwa der Erde entspricht, das 200.000-fache ihrer Masse in sich vereint, sowie einem kühlen roten Zwergstern als Begleiter, der ein Drittel der Sonnenmasse hat [3]. Die beiden umkreisen sich alle 3,6 Stunden in einem kosmischen Tanz, so regelmäßig wie ein Uhrwerk.

In diesem Doppelsternsystem geht es allerdings sehr rauh zu, und das auf recht ungewöhnliche Art und Weise. Der Weiße Zwerg in AR Sco ist rotiert nicht nur sehr schnell sondern ist auch noch stark magnetisch. Deshalb beschleunigt er Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Bei ihrer Ausbreitung durch den Raum senden diese hochenergetischen Teilchen gerichtete Strahlung aus, die dann wie der Scheinwerfer eines Leuchtturms die Oberfläche des roten Zwergsterns überstreicht und das gesamte System alle 1,97 Minuten sich aufhellen und wieder verdunkeln lässt. Diese energiereichen Pulse enthalten auch Radiostrahlung, die noch nie zuvor in einem System mit einem Weißen Zwerg beobachtet werden konnten.

Erstautor Tom Marsh von der Arbeitsgruppe für Astrophysik der University of Warwick erzählt: “AR Scorpii wurde zwar schon vor über 40 Jahren entdeckt, aber seine wahre Natur war unbekannt, bis wir 2015 begonnen haben, ihn zu beobachten. Schon wenige Minuten nach Beginn unserer Messungen wussten wir: Da passiert etwas Außergewöhnliches.

Die ermittelten Eigenschaften von AR Sco sind einzigartig und gleichzeitig mysteriös. Strahlung über einen weiten Frequenzbereich deutet auf Elektronen hin, die in Magnetfeldern beschleunigt werden, was mithilfe der Rotation des des Weißen Zwergs in AR Sco erklärt werden kann. Der Ursprung der Elektronen allerdings bleibt ein großes Rätsel – es ist nach wie vor unklar, ob sie zu dem Weißen Zwerg oder seinem kühleren Begleiter gehören.

AR Scorpii wurde erstmals Anfang der 1970er Jahre näher untersucht. Wegen seiner regelmäßigen Helligkeitsänderungen im Rhythmus von 3,6 Stunden hat man ihn als einzelnen Veränderlichen Stern klassifiziert – fälschlicherweise [4]. Die tatsächliche Ursache der Helligkeitsänderungen von AR Scorpii wurde erst durch die Zusammenarbeit von Amateur- und Profiastronomen möglich. Ähnliches, pulsierendes Verhalten kennt man zwar schon länger, allerdings nur von Neutronensternen – mit die dichtesten Himmelsobjekte, die es im Universum gibt – und nicht von Weißen Zwergen.

Boris Gänsicke, Koautor der Studie und ebenfalls an der University of Warwick tätig, schließt: „Pulsierende Neutronensterne kennen wir seit fast 50 Jahren. Es gibt Theorien, die vorhergesagt haben, das auch Weiße Zwerge ein solches Verhalten zeigen könnten. Dass wir jetzt genau so ein System entdeckt haben, ist höchst spannend und außerdem ein Paradebeispiel wie Amateurastronomen und Wissenschaftler zusammenarbeiten können.

Endnoten

[1] Die Beobachtungen, auf denen diese Studie basiert, wurden mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO auf dem Cerro Paranal in Chile, den William Herschel und Isaac Newton Telescopes der Isaac Newton Group of telescopes auf der Kanareninsel La Palma in Spanien, dem Australia Telescope Compact Array am Paul Wild Observatory im australischen Narrabri, dem NASA/ESA Hubble Space Telescope und dem Swift-Satelliten der NASA durchgeführt.

[2] Weiße Zwerge entstehen am Ende des Lebens von Sternen mit bis zu acht Sonnenmassen zu Beginn ihres Lebens. Nachdem ihnen der Brennstoff für die Wasserstoffusion in ihrem Zentralbereich ausgegangen ist, ändert sich ihre innere Struktur und sie dehnen sich zu einem viel größeren Roten Riesen aus. Darauf folgt dann erneut ein Zusammenziehen des Kerns, bei dem die äußere Hülle allerdings in Form von großen Wolken aus Gas und Staub abgestoßen wird. Übrig bleibt der Weiße Zwerg von etwa Erdgröße, alleridngs mit der 200.000-fachen Dichte. Ein Teelöffel Materie eines Weißen Zwergs bringt dasselbe Gewicht auf die Waage wie ein Elefant hier auf der Erde.

[3] Der rote Zwergstern hat den Spektraltyp M. M-Sterne sind die am häufigsten vorkommenden Sterne nach der Harvard-Klassifikation, die Sterne nach ihren spektralen Eigenschaften Großbuchstaben zuordnet. Die bekannte Spektralsequenz mit der Reihenfolge OBAFGKM kann man mit dem Merksatz „Oh Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me“ verinnerlichen.

[4] Ein Veränderlicher ist ein Stern, dessen Helligkeit sich von der Erde aus beobachtet verändert. Die Helligkeitsvariationen können verschiedene Ursachen haben, unter anderem können sich intrinsische Eigenschaften des Sterns ändern. Einige Sterne expandieren und kontrahieren beispielsweise. Es kann alleridngs auch vorkommen, dass beispielsweise ein anderes Objekt regelmäßig den Stern bedeckt. AR Scorpii hat man fälschlicherweise für einen veränderlichen Stern gehalten, da auch der Umlauf zweier Sterne umeinander zu regelmäßigen Fluktuationen in der Helligkeit führt.

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