Lösung des Rätsels der Sternmetallverschmutzung

Tote Sterne, sogenannte Weiße Zwerge, haben die Masse der Sonne, sind aber in ihrer Größe der Erde ähnlich. Sie kommen in unserer Galaxie häufig vor, da 97 % der Sterne Weiße Zwerge sind. Wenn Sterne das Ende ihres Lebens erreichen, kollabieren ihre Kerne zu der dichten Kugel eines Weißen Zwergs, was unsere Galaxie wie einen ätherischen Friedhof erscheinen lässt.

Trotz ihrer Verbreitung ist die chemische Zusammensetzung dieser Sternreste seit Jahren ein Rätsel für Astronomen. Das Vorhandensein von Schwermetallelementen – wie Silizium, Magnesium und Kalzium – auf der Oberfläche vieler dieser kompakten Objekte ist eine verblüffende Entdeckung, die unseren Erwartungen an das Verhalten von Sternen widerspricht.

„Wir wissen, dass, wenn diese Schwermetalle auf der Oberfläche des Weißen Zwergs vorhanden sind, der Weiße Zwerg so dicht ist, dass diese Schwermetalle sehr schnell in Richtung Kern sinken sollten“, erklärt JILA-Doktorandin Tatsuya Akiba. „Man sollte also keine Metalle auf der Oberfläche eines Weißen Zwergs sehen, es sei denn, der Weiße Zwerg frisst aktiv etwas.“

Während Weiße Zwerge verschiedene nahe gelegene Objekte wie Kometen oder Asteroiden (sogenannte Planetesimale) verschlingen können, müssen die Feinheiten dieses Prozesses noch vollständig erforscht werden. Dieses Verhalten könnte jedoch der Schlüssel zur Lösung des Rätsels um die Metallzusammensetzung eines Weißen Zwergs sein und möglicherweise zu aufregenden Enthüllungen über die Dynamik von Weißen Zwergen führen.

In den Ergebnissen wird in einem neuen Artikel berichtet Die Astrophysikalischen Tagebuchbriefe, Akiba glaubt zusammen mit JILA Fellow und Professorin für Astrophysik und Planetenwissenschaften an der University of Colorado Boulder Ann-Marie Madigan und der Studentin Selah McIntyre, einen Grund gefunden zu haben, warum diese Sternzombies ihre nahegelegenen Planetesimale fressen. Mithilfe von Computersimulationen simulierten die Forscher, dass der Weiße Zwerg während seiner Entstehung einen „Geburtsstoß“ erhielt (der beobachtet wurde), der durch einen asymmetrischen Massenverlust verursacht wurde, der seine Bewegung und die Dynamik des umgebenden Materials veränderte.

In 80 % ihrer Testläufe beobachteten die Forscher, dass sich die Umlaufbahnen von Kometen und Asteroiden in einem Bereich von 30 bis 240 AE um den Weißen Zwerg (entsprechend der Entfernung zwischen Sonne und Neptun und darüber hinaus) durch den Tritt verlängerten und aneinander anpassten . Darüber hinaus stammen etwa 40 % der anschließend gefressenen Planetesimale aus gegenläufigen (retrograden) Umlaufbahnen.

Die Forscher erweiterten ihre Simulationen auch, um die Dynamik des Weißen Zwergs nach 100 Millionen Jahren zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass die nahegelegenen Planetesimale des Weißen Zwergs immer noch verlängerte Umlaufbahnen hatten und sich als eine zusammenhängende Einheit bewegten, ein noch nie dagewesenes Ergebnis.

„Das ist meiner Meinung nach das Einzigartige an unserer Theorie: Wir können erklären, warum die Akkretionsereignisse so lange anhalten“, sagt Madigan. „Während andere Mechanismen ein ursprüngliches Akkretionsereignis erklären könnten, zeigen unsere Simulationen mit dem Kick, warum es Hunderte Millionen Jahre später immer noch geschieht.“

Diese Ergebnisse erklären, warum die Schwermetalle auf der Oberfläche eines Weißen Zwergs gefunden werden, da dieser Weiße Zwerg auf seinem Weg ständig kleinere Objekte verschlingt.

Es geht nur um die Schwerkraft

Da sich Madigans Forschungsgruppe am JILA auf die Gravitationsdynamik konzentriert, schien die Untersuchung der Schwerkraft rund um Weiße Zwerge ein natürlicher Forschungsschwerpunkt zu sein.

„Simulationen helfen uns, die Dynamik verschiedener astrophysikalischer Objekte zu verstehen“, sagt Akiba. „In dieser Simulation werfen wir also eine Reihe von Asteroiden und Kometen um den Weißen Zwerg, der deutlich größer ist, und sehen, wie sich die Simulation entwickelt und welche dieser Asteroiden und Kometen der Weiße Zwerg frisst.“

Die Forscher hoffen, ihre Simulationen in zukünftigen Projekten auf größere Maßstäbe übertragen zu können und zu untersuchen, wie Weiße Zwerge mit größeren Planeten interagieren.

Akiba führt aus: „Andere Studien deuten darauf hin, dass Asteroiden und Kometen, die kleinen Körper, möglicherweise nicht die einzige Quelle der Metallverschmutzung auf der Oberfläche des Weißen Zwergs sind. Die Weißen Zwerge könnten also etwas Größeres, wie einen Planeten, fressen.“

Erfahren Sie mehr über die Entstehung des Sonnensystems

Diese neuen Erkenntnisse verraten außerdem mehr über die Entstehung von Weißen Zwergen, was wichtig ist, um zu verstehen, wie sich Sonnensysteme über Millionen von Jahren verändern. Sie tragen auch dazu bei, Licht auf die Ursprünge und die zukünftige Entwicklung unseres Sonnensystems zu werfen und mehr über die beteiligte Chemie zu enthüllen.

„Die überwiegende Mehrheit der Planeten im Universum wird am Ende einen Weißen Zwerg umkreisen“, sagt Madigan. „Es könnte sein, dass 50 % dieser Systeme von ihrem Stern gefressen werden, einschließlich unseres eigenen Sonnensystems. Jetzt haben wir einen Mechanismus, um zu erklären, warum das passieren würde.“

„Planetesimale können uns Einblicke in andere Sonnensysteme und Planetenzusammensetzungen geben, die über unseren Wohnort in unserer Sonnenregion hinausgehen“, fügt McIntyre hinzu. „Weiße Zwerge sind nicht nur eine Linse in die Vergangenheit. Sie sind auch eine Art Linse in die Zukunft.“