Die verborgene Effizienz der Wechselwirkung zwischen Sternen
Wenn zwei Sterne einander nahe umkreisen, kann ein Stern Materie an seinen Begleiter übertragen; dies ändert die Entwicklung beider Sterne dramatisch. Wie viel dieser Materie jedoch tatsächlich beim Empfängerstern verbleibt, ist bislang eines der größten Rätsel der Doppelsternphysik. Anhand einer neuen Stichprobe von 16 sorgfältig untersuchten Doppelsternsystemen haben MPA-Forschende nun herausgefunden, dass Doppelsterne die übertragene Materie viel effizienter speichern als bisher angenommen: Viele Systeme behalten mehr als die Hälfte der übertragenen Masse. Diese Erkenntnis stellt langjährige theoretische Annahmen in Frage und hat tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis der Sternentwicklung, von den Arten der von uns beobachteten Supernovae bis hin zur Entstehung von Gravitationswellenquellen, Röntgendoppelsternen und exotischen Sterntypen.
Die meisten Sterne im Universum entstehen in Doppel- oder Mehrfachsternsystemen, bei denen zwei oder mehr Sterne um ihren gemeinsamen Schwerpunkt kreisen. Wenn sich diese Sterne im Laufe ihrer Lebensdauer nahe genug umkreisen, können sie gravitativ interagieren und Materie austauschen. Dies kann die Entwicklung beider Sterne dramatisch verändern und zu exotischen Sternobjekten führen, zu verschiedenen Arten von Supernovae und der Entstehung kompakter Objekte wie Neutronensternen oder Schwarzer Löcher. Daher spielen Doppelstern-Wechselwirkungen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung der von uns beobachteten Sternpopulationen.
Das linke Panel repräsentiert den Ausgangszustand, bei dem zwei reguläre Hauptreihensterne um einander kreisen. Das mittlere Panel zeigt den Prozess der Massenübertragung, bei dem sich der massereichere Stern schneller entwickelt und sich ausdehnt und dabei Materie auf den anderen überträgt. Das rechte Panel veranschaulicht die gegenwärtige Konfiguration, die aus einem Stern ohne Hülle und einem schnell rotierenden Stern besteht.
Das Team konzentrierte sich auf eine besondere Art von Doppelsternsystemen, die sogenannten Be+sdOB-Doppelsterne. Diese bestehen aus einem „abgestreiften” Stern, der seine äußeren Schichten verloren hat, und einem schnell rotierenden Stern, dessen Rotation durch die Akkretion dieser äußeren Schichten beschleunigt wurde (siehe Abbildung 1). Diese Systeme sind für die Untersuchung des Massentransfers besonders wertvoll, da sie eindeutig eine Doppelstern-Wechselwirkungen in der Vergangenheit hatten. Der „abgestreifte“ Stern verrät, wie viel Masse ursprünglich abgegeben wurde, während der andere Stern zeigt, wie viel Materie tatsächlich erhalten blieb.
Bei 16 solcher Systeme wurde in früheren Studien die Masse der beiden Sterne mithilfe einer Kombination modernster Beobachtungstechniken erfolgreich gemessen. Dabei bildet die hochauflösende Interferometrie des CHARA-Arrays und der VLTI/GRAVITY-Instrumente ein leistungsstarkes virtuelles Teleskop, das das Licht mehrerer Teleskope kombiniert und so die winzigen Abstände und Umlaufbewegungen enger Doppelsterne messen kann. Diese interferometrischen Messungen ermöglichten in Kombination mit detaillierten spektroskopischen Beobachtungen eine präzise Massenbestimmung. Durch den Vergleich dieser aktuellen Massen mit Sternentwicklungsmodellen konnte das Team am MPA bestimmen, wie viel Masse während der Wechselwirkung der Doppelsterne übertragen und erhalten wurde.
Die Ergebnisse sind bemerkenswert: Bei der Hälfte der Systeme muss der Empfängerstern mehr als 50 % der übertragenen Masse behalten haben. Dies steht in krassem Gegensatz zu theoretischen Modellen, die davon ausgehen, dass nur wenige Prozent der übertragenen Materie erhalten bleiben können, da schnell rotierende Sterne aufgrund der Zentrifugalkräfte zusätzliche Masse nicht gut aufnehmen können (siehe Abbildung 2).
Die wahrscheinlichste Erklärung für diesen effizienten Massentransfer ist, dass Akkretionsscheiben um den Empfängerstern herum den Drehimpuls abführen können, während sie gleichzeitig Materie auf den Stern fallen lassen. Dieser in anderen astrophysikalischen Kontexten bekannte Prozess scheint für die Entwicklung von Doppelsternen viel wichtiger zu sein als bisher angenommen.
Diese Erkenntnisse werden eine grundlegende Überarbeitung der Modelle zur Entwicklung von Doppelsternen erforderlich machen und weitreichende Auswirkungen haben. Viele hochkarätige theoretische Vorhersagen zur Sternentwicklung basieren auf der Annahme, dass der Massentransfer in hohem Maße nicht-erhaltend ist - in starkem Widerspruch zu den aktuellen Ergebnissen. Diese deuten darauf hin, dass Sterne, die an Masse gewinnen, viel massereicher werden als derzeit vorhergesagt, was zu unterschiedlichen Populationen von Supernovae, Weißen Zwergen und Quellen von Gravitationswellen führen wird. Auch die Bahneigenschaften von Doppelsternen nach der Wechselwirkung werden davon beeinflusst, was wichtige Einschränkungen für das Verständnis der Entstehung exotischer Sternobjekte mit sich bringt.
