Kategorien
Astronomie Technologie

Tanzmuster aus roten Superriesensternen am Himmel

Die blubbernde Oberfläche massiver Riesensterne lässt ihre beobachtbaren Positionen am Himmel wackeln. Ein internationales Team von Astrophysikern hat nun detaillierte Simulationen der Gasbewegungen in den atmosphärischen Schichten dieser Sterne durchgeführt und diese mit hochwertigen Daten des Perseus-Sternhaufens verglichen. Sie finden heraus, dass die Oberflächenstrukturen tatsächlich einen großen Teil der Messunsicherheit in den Beobachtungen ausmachen könnten.
Beispiel für Intensitätskarten für zwei verschiedene Simulationen (oben und unten), wobei zwei verschiedene Schnappschüsse im Abstand von etwa 200 Tagen aufgenommen wurden (links und rechts).

© CNRS/MPA

Mindestens ein sprudelnder Stern ist sehr bekannt: Im 19. Jahrhundert beobachteten Astronomen kleine Muster auf der Sonnenoberfläche (sogenannte „konvektive Zellen“), die sich wie kochendes Wasser in einem Topf bewegen. In den äußeren Schichten der Sonne erwärmt sich das Gas und steigt an die Oberfläche, wo es abkühlt und dann wieder absinkt. Ein ähnlicher Prozess findet auch bei massereichen, entwickelten Sternen wie roten Überriesen statt. Diese Sterne sind mindestens achtmal massereicher als die Sonne, viel kühler (ca. 3500 Kelvin) und riesig, sie haben mindestens den 700-fachen Durchmesser der Sonne). Wenn unsere Sonne ein roter Überriese wäre, würde ihre Oberfläche über die Umlaufbahn des Mars hinausragen.

Rote Überriesen haben sich so stark ausgedehnt, dass ihre Oberflächengravitation extrem niedrig ist; es kann mehr als 70.000 mal kleiner sein als das solare. Aufgrund dieser geringen Schwerkraft werden die Konvektionszellen extrem ausgedehnt und können bis zu 20-30 % des Sternradius einnehmen. Darüber hinaus bewegt die Konvektion Gas aus dem Inneren an die Oberfläche, was den Ausstoß von Materie in die zirkumstellare Umgebung begünstigt. Die von einem Roten Überriesen freigesetzte Gasmenge ist kolossal, das Milliardenfache des Sonnenmassenverlusts. Sie sind im Infrarotlicht die hellsten Sterne im Universum, und die Untersuchung ihrer physikalischen Eigenschaften ist sehr wichtig, um die späten Stadien in der Entwicklung massereicher Sterne besser zu verstehen.

Eine große Unsicherheit bei der Beobachtung roter Überriesen besteht jedoch darin, dass die Position des Fotozentrums – dh des Lichtzentrums – nicht mit dem Schwerpunkt des Sterns zusammenfällt und sich mit der Entwicklung des Konvektionsmusters im Laufe der Zeit ändert. Um diese Bewegungen zu quantifizieren, ist ein theoretischer Ansatz notwendig, der auf dreidimensionalen, hydrodynamischen Simulationen der Gasbewegung in den atmosphärischen Schichten von Sternen, gekoppelt mit Strahlung, basiert. Diese Modelle simulieren die gesamte Hülle des Sterns im Laufe der Zeit.

„Die synthetischen Karten zeigen extrem unregelmäßige Oberflächen, auf denen sich die größten Strukturen in Zeitskalen von Monaten oder sogar Jahren entwickeln, während sich kleinere Strukturen im Laufe von mehreren Wochen entwickeln“, bemerkt Andrea Chiavassa vom Laboratoire Lagrange, dem Exzellenzcluster ORIGINS und Max Planck Institut für Astrophysik, das die Studie leitete. „Das bedeutet, dass sich die Position des Sterns voraussichtlich als Funktion der Zeit ändern wird.“

Position des Photozentrums (oder Lichtzentrums), berechnet für die erste Simulation von Abb. 1. Schnappschüsse werden nach 2×10 
6 s (etwa 23 Tage) gemacht und aufeinanderfolgende Schnappschüsse werden mit Liniensegmenten verbunden. 
Der rote Punkt und die roten Kreise zeigen die erwartete beobachtbare Position mit ihrer Unsicherheit über den gesamten Zeitraum von etwa 11 Jahren; 
die gestrichelten Linien schneiden sich an der Position des geometrischen Zentrums der Bilder.

© CNRS/MPA

Das Team berechnete die Verschiebung des Fotozentrums in den Simulationen und verglich sie mit der Messunsicherheit von Sternen in χ Perseus, einem nahen, jungen Sternhaufen in der EDR 3-Datenveröffentlichung der Gaia-Mission. Gaia ist eine astrometrische, photometrische und spektroskopische Weltraummission, die einen großen Teil der Milchstraße durchleuchtet. Der Perseus-Sternhaufen ist gut untersucht und enthält eine relativ große Population von Roten Überriesen sowie andere Sterne. „Wir haben festgestellt, dass die Positionsunsicherheiten bei Roten Überriesen viel größer sind als bei anderen Sternen. Das bestätigt, dass sich ihre Oberflächenstrukturen, wie von unseren Berechnungen vorhergesagt, mit der Zeit dramatisch verändern“, erklärt Rolf Kudritzki, Co-Autor der Studie von der Münchner Universitätssternwarte und dem Institute for Astronomy, Hawaii.

Rote Überriesen tragen maßgeblich zur chemischen Anreicherung von Galaxien bei. Ein detailliertes Wissen der Windphysik über den Lebenszyklus dieser Sterne ist notwendig, um die Sternentwicklung im nahen und fernen Universum und ihre Auswirkungen auf die kosmische Umgebung zu verstehen. Dazu müssen die ausgestoßene Gesamtmasse sowie ihre Art, die Geschwindigkeit der Winde und die Gesamtgeometrie der zirkumstellaren Hülle verfolgt werden.

„Das tanzende Muster der roten Riesensterne am Himmel könnte uns mehr über ihre kochenden Hüllen lehren“, erklärt Selma de Mink, Co-Autorin und Direktorin am Max-Planck-Institut für Astrophysik. „Mit unserem Ansatz und in Kombination mit den Gaia-Daten werden wir in der Lage sein, wichtige Informationen über die Sterndynamik zu extrahieren und die physikalischen Prozesse besser zu verstehen, die die heftige Konvektion in diesen Sternen verursachen.“

Hier geht es zur Originalpublikation

Please follow and like us:
0
20
Pin Share20

Comments

comments

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.