Besondere Verschmelzung bei Weißen Zwergsternen

1. Juli 2022

Zwei Arten von heißen, blauen und dichten Sternen, die in ihrer Zusammensetzung und ihren Schwingungen besondere Merkmale aufweisen, stellen Astrophysiker seit mehr als zehn Jahren vor ein Rätsel. Einem Team von Wissenschaftlern des MPA und der argentinischen Universität La Plata ist es nun gelungen, beide Typen als Produkt sehr ähnlicher Stern-Fusionen zu erklären. Insbesondere vermuten die Wissenschaftler, dass die eigentümlichen heißen und blauen Sterne durch die Verschmelzung zweier Weißer Zwerge entstanden sind.

Die meisten Sterne im Universum haben Atmosphären, die hauptsächlich aus Wasserstoff und in geringeren Mengen aus Helium bestehen. Bei den meisten heißen, blauen, leichten, aber gleichzeitig dichten Sternen ist das Helium jedoch im Allgemeinen nicht sichtbar. Die Schwerkraft auf ihrer Oberfläche ist so hoch, dass das etwas schwerere Helium unter den Wasserstoff sinkt. Viele dieser Sterne pulsieren oder vibrieren wie Musikinstrumente – doch statt Töne zu erzeugen, produzieren sie eigenartige Lichtmuster. Diese Lichtmuster ermöglichen es uns, ihre innere Struktur zu studieren und den Ursprung ihrer Schwingungen zu verstehen.

Zwei Arten von heißen, blauen und dichten Sternen stellen jedoch eine Herausforderung für die Wissenschaftler dar: Vom ersten Typ sind nur drei Sterne bekannt, die den Astronomen seit der Entdeckung des ersten im Jahr 2011 ein Rätsel aufgeben. Die Atmosphären dieser Sterne bestehen aus einem Gemisch aus Helium und Wasserstoff, während man bei dieser Art von Sternen an der Oberfläche nur Wasserstoff erwartet. Außerdem vibrieren diese heliumreichen Sterne ganz anders als "normale" heiße blaue Sterne mit Wasserstoffatmosphären. Seit 2011 wurden mehrere mögliche Erklärungen für das Pulsieren dieser heliumreichen blauen Sterne, ihre innere Zusammensetzung und ihre Geschichte veröffentlicht – keine davon beantwortet alle diese Fragen vollständig. Astronomen der Universitäten Tübingen und Potsdam haben kürzlich die Entdeckung eines weiteren Typs heißer blauer Sterne gemeldet. Diese Sterne sind von Kohlenstoff und Sauerstoff bedeckt, eine sehr exotische Eigenschaft, die noch schwerer zu erklären ist als das Vorhandensein von Helium in den Sternen.

Obwohl diese beiden Klassen heißer und blauer Sterne sehr unterschiedlich aussehen, konnte eine Gruppe von Wissenschaftlern des MPA und der argentinischen Universität La Plata die seltsamen Zusammensetzungen in beiden und die Vibrationen in den heliumreichen Sternen als Produkt sehr ähnlicher Verschmelzungen zweier Weißer Zwerge erklären.

Eine Verschmelzung findet statt, wenn zwei sich eng umkreisende Sterne durch Gravitationskräfte angezogen werden und schließlich zu einem einzigen Stern werden. Manchmal besteht ein solches Doppelsternsystem aus Weißen Zwergen, kleinen, uralten Sternen, die das letzte Stadium des Lebens von Sternen wie unserer Sonne darstellen. Sie sind dichter als die meisten Sterne im Universum, mit einer Masse von etwa der Hälfte der Sonnenmasse auf einem Volumen ähnlich dem der Erde. Die meisten Weißen Zwerge haben einen Kern aus Kohlenstoff und Sauerstoff, umgeben von einem Mantel aus Helium und einer äußeren Hülle aus Wasserstoff.

Bei einer Verschmelzung zweier Weißer Zwerge wird der weniger massereiche Stern zerrissen und seine Materie geht auf den massereicheren Begleiter über. Wenn also der weniger massereiche Stern hauptsächlich aus Kohlenstoff und Sauerstoff besteht, sollten Kohlenstoff und Sauerstoff nach der Verschmelzung auch in dem entstandenen Stern zu finden sein. Weiße Zwerge mit Kohlenstoff-Sauerstoff-Kernen haben normalerweise etwa 0,6 Sonnenmassen oder etwas mehr. Einige von ihnen können aber auch weniger als die Hälfte der Masse unserer Sonne haben. Interessanterweise kann eine Verschmelzung eines solchen massearmen Weißen Zwerges mit einem etwas massereicheren Weißen Zwerg heiße, blaue, leichte, aber dichte Sterne hervorbringen.

Wenn das Verschmelzungsprodukt eine geringe Masse hat (etwa die Hälfte einer Sonnenmasse), führt die hohe Schwerkraft auf der Oberfläche des Sterns dazu, dass Kohlenstoff und Sauerstoff absinken und sich unter einer Atmosphäre aus Wasserstoff und Helium verbergen. In der Nähe der Oberfläche können Kohlenstoff und Sauerstoff jedoch Pulsationen auslösen, die denen der heliumreichen Sterne sehr ähnlich sind, die den Astronomen seit mehr als einem Jahrzehnt Rätsel aufgeben. Die Astrophysiker argumentieren zudem, dass bei etwas massereicheren Fusionsprodukten (etwa 0,8 Sonnenmassen) Winde in der Atmosphäre den Absinkprozess von Kohlenstoff und Sauerstoff stoppen könnten, wodurch diese Sterne wie die kürzlich entdeckten aussehen.

Somit kann die Existenz beider Arten seltsamer heißer, blauer, leichter, aber dichter Sterne, einschließlich der Vibrationen der heliumreichen Sterne, als Produkte einer ähnlichen Geschichte erklärt werden in der zwei Weiße Zwergsterne miteinander verschmelzen.

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