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Ein ungewöhnliches Sternensystem erzeugte eher ein Zischen und weniger einen Knall, als es in einer Supernova explodierte.
Die glanzlose Explosion, die als „ultra-stripped“ Supernova bekannt ist, führte Forscher dazu, die beiden Sterne 11.000 Lichtjahre von der Erde entfernt zu entdecken.
Es ist die erste bestätigte Entdeckung eines Sternensystems, das eines Tages eine Kilonova erzeugen wird – wenn Neutronensterne kollidieren und explodieren und Gold und andere schwere Elemente in den Weltraum freisetzen. Es wird angenommen, dass das seltene Sternenpaar eines von nur etwa 10 seiner Art in der Milchstraße ist.
Die Entdeckung ließ lange auf sich warten.
Im Jahr 2016 entdeckte das Neil Gehrels Swift Observatory der NASA einen großen Röntgenblitz, der aus derselben Region am Himmel stammte, in der sich ein heißer, heller Stern vom Typ Be befand.
Astronomen waren neugierig, ob die beiden möglicherweise miteinander verknüpft werden könnten, und so wurden die Daten mit dem 1,5-Meter-Teleskop des Cerro Tololo Inter-American Observatory im Norden Chiles erfasst.
Einer derjenigen, die daran interessiert waren, diese Daten zu nutzen, um mehr über den Stern zu erfahren, war Dr. Noel D. Richardson, jetzt Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der Embry-Riddle Aeronautical University.
Im Jahr 2019 wandte sich Clarissa Pavao, eine Studentin an der Universität, an Richardson, als er an seinem Astronomiekurs teilnahm, um zu fragen, ob er irgendwelche Projekte habe, an denen sie arbeiten könnte, um Erfahrungen in der Astronomieforschung zu sammeln. Er teilte die Teleskopdaten mit ihr und während der Pandemie lernte Pavao, wie man mit den Daten des Teleskops in Chile arbeitet und sie bereinigt, um Verzerrungen zu reduzieren.
„Das Teleskop blickt auf einen Stern und nimmt das gesamte Licht auf, sodass Sie die Elemente sehen können, aus denen dieser Stern besteht – aber Be-Sterne neigen dazu, Materiescheiben um sich herum zu haben“, sagte Pavao. „Es ist schwer, direkt durch all das Zeug zu sehen.“
Sie schickte ihre ersten Ergebnisse – die so etwas wie ein Streudiagramm ähnelten – an Richardson, der erkannte, dass sie eine Umlaufbahn für das Doppelsternsystem festgelegt hatte. Folgebeobachtungen halfen ihnen, die Umlaufbahn des Doppelsternsystems mit dem Namen CPD-29 2176 zu verifizieren.
Aber diese Umlaufbahn war nicht das, was sie erwartet hatten. Typischerweise wirbeln Doppelsterne in einer ovalen Umlaufbahn umeinander herum. In CPD-29 2176 umkreist ein Stern den anderen in einem kreisförmigen Muster, das sich etwa alle 60 Tage wiederholt.
Die beiden Sterne, ein größerer und ein kleinerer, wirbelten in einer sehr engen Umlaufbahn umeinander herum. Im Laufe der Zeit habe der größere Stern begonnen, seinen Wasserstoff abzugeben und Material auf den kleineren Stern abzugeben, das von der 8- oder 9-fachen Masse unserer Sonne auf die 18- oder 19-fache Masse unserer Sonne anwächst, sagte Richardson. Zum Vergleich: Unsere Sonne hat eine 333.000-fache Masse der Erde.
Der Hauptstern wurde kleiner und kleiner, während er den Nebenstern aufbaute – und als er seinen gesamten Treibstoff aufgebraucht hatte, reichte es nicht mehr aus, um eine massive, energiereiche Supernova zu erzeugen, um sein restliches Material in den Weltraum freizusetzen.
Stattdessen war die Explosion wie das Zünden eines Blindgänger-Feuerwerks.
„Der Stern war so erschöpft, dass die Explosion nicht einmal genug Energie hatte, um (seine) Umlaufbahn in die typischere elliptische Form zu bringen, die in ähnlichen Doppelsternen zu sehen ist“, sagte Richardson.
Was nach der ultra-stripped Supernova übrig blieb, war ein dichter Überrest, der als Neutronenstern bekannt ist und nun den schnell rotierenden, massereichen Stern umkreist. Das Sternpaar wird etwa 5 bis 7 Millionen Jahre in einer stabilen Konfiguration verbleiben. Da sowohl Masse als auch Drehimpuls auf den Be-Stern übertragen wurden, setzt er eine Gasscheibe frei, um das Gleichgewicht zu halten und sicherzustellen, dass er sich nicht selbst zerreißt.
Schließlich wird auch der Sekundärstern seinen Treibstoff verbrennen, sich ausdehnen und Material freisetzen, wie es der erste tat. Aber dieses Material kann nicht einfach auf dem Neutronenstern angehäuft werden, stattdessen wird das Sternensystem das Material durch den Weltraum freigeben. Der Sekundärstern wird wahrscheinlich eine ähnlich glanzlose Supernova erleben und sich in einen Neutronenstern verwandeln.
Im Laufe der Zeit – das heißt wahrscheinlich ein paar Milliarden Jahre – werden die beiden Neutronensterne verschmelzen und schließlich in einer Kilonova explodieren, wodurch schwere Elemente wie Gold ins Universum freigesetzt werden.
„Diese schweren Elemente ermöglichen es uns, so zu leben, wie wir es tun. Zum Beispiel wurde das meiste Gold von Sternen geschaffen, die dem Supernova-Relikt oder Neutronenstern in dem von uns untersuchten Binärsystem ähneln. Astronomie vertieft unser Verständnis der Welt und unseres Platzes darin“, sagte Richardson.
„Wenn wir diese Objekte betrachten, blicken wir durch die Zeit zurück“, sagte Pavao. „Wir erfahren mehr über die Ursprünge des Universums, was uns sagen wird, wohin unser Sonnensystem steuert. Als Menschen haben wir mit denselben Elementen wie diese Sterne begonnen.“
Eine Studie, die ihre Ergebnisse detailliert beschreibt, wurde am Mittwoch in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Richardson und Pavao arbeiteten auch mit dem Physiker Jan J. Eldridge an der Universität von Auckland in Neuseeland zusammen, einem Experten für Doppelsternsysteme und ihre Entwicklung. Eldridge überprüfte Tausende von Doppelsternmodellen und schätzte, dass es wahrscheinlich nur 10 in der gesamten Milchstraße gibt, die dem Modell in ihrer Studie ähneln.
Als nächstes wollen die Forscher daran arbeiten, mehr über den Be-Stern selbst zu erfahren, und hoffen, Folgebeobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop durchführen zu können. Pavao strebt auch einen Abschluss an – und arbeitet mit den neu erworbenen Fähigkeiten weiter an der Weltraumphysikforschung.
„Ich hätte nie gedacht, dass ich an der Evolutionsgeschichte von Doppelsternsystemen und Supernovas arbeiten würde“, sagte Pavao. „Es war ein fantastisches Projekt.“