Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

Die Versorgung von massereichen Sternembryos mit Nahrung aus ihrer umgebenden Scheibe aus Gas und Staub war lange Zeit ein Rätsel. Ein internationales Forschungsteam, an dem das Max-Planck-Institut für Astronomie beteiligt ist, hat nun eine Spiralstruktur in solch einer Scheibe entdeckt, in dessen Zentrum ein wachsender Stern von etwa 12 Sonnenmassen eine dramatische Helligkeitszunahme erfahren hat. Diese Spirale bestätigt die Vermutung, dass solche Scheiben zeitweilig instabil werden und deswegen teilweise in kompakte Pakete zerfallen. Diese füttern den jungen Stern häppchenweise, was sich in Episoden von stark ansteigender Leuchtkraft bemerkbar macht. Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Massereiche Sterne, also Sterne, deren Masse mindestens dem Achtfachen der Sonne entspricht, unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von den massearmen Sternen, zu denen auch die Sonne zählt. So konnten sich Astronomen lange Zeit nicht befriedigend erklären, wie das Material, das die Protosterne – also die noch jungen, unfertigen Sterne – wachsen lässt, den enormen Strahlungsdruck überwinden kann. Eine aktuelle Untersuchung unter der Leitung von Xi Chen (Guangzhou University und Shanghai Astronomical Observatory, China) und Andrej Sobolev (Ural Federal University, Russland), an der auch das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg beteiligt ist, hat nun einen wichtigen Schritt zur Klärung dieses Rätsels geschafft.

Als Teil der weltweit kooperierenden Maser Monitoring Organization (M2O) entdeckten die Forscher in der Umgebung des 22.000 Lichtjahre entfernten massereichen Protosterns G358-MM1 eine Spiralstruktur, die Teil einer Scheibe aus Gas und Staub ist, die den Protostern umgibt. Wissenschaftler sagen dieses Phänomen theoretisch für massereiche Scheiben vorher, von denen Astronomen vermuten, dass sie sich bevorzugt bei der Entstehung von massereichen Sternen bilden. Dabei fällt ständig neues Material aus einer weiter außen liegenden Hülle aus Gas und Staub auf die Scheibe auf und lässt sie weiter wachsen. Derzeit hat sie einen Durchmesser von 1.340 AE (1 AE = 1 Astronomische Einheit = 149,6 Mio km).

Materiepakete aus massereichen Scheiben füttern massereiche Protosterne

Die Gravitationswirkung des zentralen Sterns beeinflusst solche massereichen Scheiben nur zum Teil. Stattdessen wirkt die Gravitation der Scheibe selbst maßgeblich auf ihre Stabilität ein, so dass die Materie auf Bahnen geleitet wird, die zur Ausprägung einer Spirale führen. Eine weitere Konsequenz der Instabilität ist, dass die Scheibe zum Teil in dichte, kompakte Pakete aus Gas und Staub zerfällt. Diese überstehen den Sturz auf den leuchtstarken massereichen Protostern trotz des immensen Strahlungsdrucks und führen so zu einem schubweisen Wachstum.  Dieser Prozess, den Astronomen Akkretion nennen, lässt die Leuchtkraft des Protosterns vorübergehend stark ansteigen.

Wegen der dichten Scheibe ist die Zunahme der Helligkeit jedoch nur schwer zu beobachten. Der Nachweis erfolgte bei G358-MM1 einerseits durch die Messung von Fern-Infrarotstrahlung, die durch das Aufheizen der Scheibe freigesetzt wird. Ein technisch einfacherer Nachweis ist die Detektion von Maserstrahlung. Maser sind das Pendant zu Lasern, die jedoch statt sichtbarem Licht Mikrowellenstrahlung – oder Radiostrahlung – abgeben. Sie kommen in massereichen Sternentstehungsgebieten als natürliche, sehr helle und kompakte Strahlungsquellen vor. In einer früheren Studie hatten die Astronomen das vorübergehende Aufflammen von Maseremission in G358-MM1 als Hinweis auf eine Hitzewelle identifiziert, die durch die Scheibe lief.

In der aktuellen Studie verriet sich die Spiralstruktur ebenfalls durch Masersignale, die auch hier durch einen zeitweiligen starken Anstieg der Strahlungsleistung verursacht wurde, hervorgerufen von einem neuerlichen Akkretionsschub. Die Wissenschaftler modellierten aus den Positionen und Geschwindigkeitsinformationen der detektierten Maser nicht nur die Form der zugrundliegenden Konfiguration, sondern folgerten, dass Materie entlang der Spiralarme von den äußeren Bereichen der Scheibe nach Innen strömt und von dort allmählich den Protostern füttert, dessen Masse sie auf etwa 12 Sonnenmassen bestimmten.

Zusammenhang zwischen schubweiser Akkretion und instabiler Scheibe

„G358-MM1 ist damit das erste Exemplar eines massereichen Protosterns, dessen kurzzeitiger Helligkeitsanstieg eindeutig mit der Ausprägung einer Spirale zusammenfällt, einer Struktur, die für eine instabile, massereiche Scheibe spricht“, erläutert Xi Chen. In Verbindung mit theoretischen Modellen kann somit erstmals ein direkter Zusammenhang zwischen der Variation der Leuchtkraft und der Akkretion von einzelnen Materiepaketen aus einer instabilen, massereichen Scheibe hergestellt werden. „Dieses Resultat legt nahe, dass die durch Scheiben vermittelte Akkretion daher als ein üblicher Mechanismus der Sternentstehung von massearmen bis massereichen Sternen angesehen werden könnte“, stellt Xi Chen fest.

Eine weitere Überraschung war die Art der Maser. Bislang fand man in den Scheiben mit Akkretionstätigkeit hauptsächlich Maserstrahlung des Methanolmoleküls, welches durch die erhöhte Infrarotstrahlung angeregt wird. Die Maser in der Spirale waren jedoch etwas völlig Neues. Einerseits beruhte diese Strahlung auf einer besonderen Form des Methanols, bei dem ein gewöhnliches Kohlenstoffatom durch ein schwereres Kohlenstoff-Isotop ausgetauscht ist, das ein Neutron mehr als üblich aufweist. Andererseits fanden die Wissenschaftler dort Maseraktivität von schwerem Wasser. Dieses trägt statt eines Wasserstoffatoms ein Deuteriumatom in sich. „Die genauen Ursachen für die Anregung gerade dieser Moleküle wollen die Astronomen noch ermitteln“, erklärt Hendrik Linz vom MPIA, der an der Studie beteiligt war. „Allerdings zeigt dies, dass die Bedingungen in diesen Spiralarmen und damit in den massereichen Scheiben außergewöhnlich sein müssen.“

Hintergrundinformationen

Die Studie wurde unter dem Titel „New maser species tracing spiral-arm accretion flows in a high-mass young stellar object“ in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41550-020-1144-x). Neben dem Hauptautor sind 18 Wissenschaftler von 18 Forschungsinstituten aus 11 Ländern und 5 Kontinenten an der Publikation beteiligt.

Die Wissenschaftler verwendeten Daten des Shanghai 65-Meter Tianma Radioteleskops (TMRT; China) sowie des Karl G. Jansky Very Large Array (VLA; USA).

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) hat in der Umgebung eines massereichen Protosterns eine sich ausbreitende Hitzewelle nachgewiesen. Sie bestätigt das Szenario, dass solche Objekte in Schüben wachsen. Sichtbar wurde diese Welle durch die Beobachtung von natürlich erzeugten Mikrowellen-Lasern, deren räumliche Anordnung sich unerwartet schnell veränderte.

Auch wenn die Grundzüge der Entstehung von Sternen inzwischen gut verstanden sind, ist die Existenz von massereichen Sternen in manchen Details noch rätselhaft. Durch den enormen Schweredruck im Innern eines massereichen Protosterns startet die Kernfusion, während dessen er noch wächst. Das weitere Wachstum wird durch den Strahlungsdruck des jungen Sterns erschwert. Um diesen Widerstand zu überwinden, könnte die Akkretion von Material aus einer zirkumstellaren Scheibe phasenweise in einzelnen großen Paketen geschehen. Während dieses Vorgangs nimmt seine Helligkeit kurzzeitig stark zu. Allerdings sind solche Schwankungen schwer zu beobachten, da Protosterne tief in dichten Wolken eingebettet sind.

Ein internationaler Zusammenschluss von Astronomen zur Maser Monitoring Organisation (M2O), an dem das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) beteiligt ist, hat nun durch Beobachtungen mit mehreren Radioteleskopen eine Hitzewelle nachgewiesen, die sich in der Umgebung des massereichen Protosterns G358-MM1 ausbreitet. Nachfolgebeobachtungen konnten bestätigen, dass sie durch eine zeitlich begrenzte Zunahme der Akkretionstätigkeit hervorgerufen wurde.

Verraten hat sich die Hitzewelle durch die Aktivität von Masern. Maser sind das Pendant zu Lasern, die jedoch statt sichtbarem Licht Mikrowellenstrahlung – oder Radiostrahlung – abgeben. Sie kommen in massereichen Sternentstehungsgebieten als natürliche, sehr helle und kompakte Strahlungsquellen vor. Sowohl die vergleichsweise hohen Temperaturen und Dichten als auch der Reichtum an komplexer Chemie in solchen Umgebungen begünstigen ihre Entstehung. Im vorliegenden Fall ist es das Methanol (Methylalkohol), das von der intensiven Strahlung des Protosterns angeregt wird und Maser erzeugt.

Die Wissenschaftler, die im Abstand von einigen Wochen Radio-Interferometrie-Daten mit hoher räumlicher Auflösung von 0,005 Bogensekunden (1 Winkelgrad = 3600 Bogensekunden) aufnahmen, entdeckten, dass sich die Maser auszubreiten schienen. Die ermittelte Geschwindigkeit mit bis zu 8 % der Lichtgeschwindigkeit war aber zu hoch, als dass sie mit der Bewegung von Gas vereinbar wäre. Stattdessen schließen die Astronomen auf eine Welle, die das umgebende Medium durchläuft und auf ihrem Weg Maseraktivität auslöst. Ihren Ursprung hat diese Hitzewelle in der Akkretion von Gas auf den Protostern.

„Die M2O-Beobachtungen gehören zu den ersten, die die unmittelbaren Auswirkungen eines Akkretionsschubs in einem massereichen Protostern so detailliert bezeugen, dass sie die episodische Akkretionstheorie der massereichen Sternentstehung unterstützen“, erläutert Ross Burns vom National Astronomical Observatory of Japan, der die Arbeitsgruppe leitet.

Hendrik Linz vom MPIA ergänzt: „Die eigentliche Hitzewelle direkt im thermischen Infrarot zu beobachten, wäre sehr kompliziert. Die Maser als starke Strahlungsquellen in einem leicht zugänglichen Wellenlängenbereich sind ein sehr gutes Beobachtungswerkzeug, um auf kleinen räumlichen Skalen, und somit auf kurzen Zeitskalen nach einem Ausbruch, den Durchgang so einer Hitzewelle indirekt nachzuvollziehen.“

Die Partner des M2O-Projekts werden auch in Zukunft die Maser in vielen Sternentstehungsgebieten überwachen, um so mehr über das Wachstum von massereichen Protosternen zu erfahren.

Kollaboration

Diese Studie wurde ermöglicht durch eine Kooperation der folgenden Forschungseinrichtungen:

Mizusawa VLBI Observatory, National Astronomical Observatory of Japan; Korea Astronomy and Space Science Institute; NARIT, Thailand; University of Science and Technology, Korea; Ural Federal University, Russland; Thüringer Landessternwarte, Deutschland; The University of Western Ontario, Kanada; Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory, Südafrika; Center for Astronomy, Ibaraki University, Japan; Centre for Astronomy, Nicolaus Copernicus University, Polen; School of Natural Sciences, University of Tasmania, Australien; Xinjiang Astronomische Sternwarte, Chinesische Akademie der Wissenschaften, China; Dublin Institute for Advanced Studies, Irland; NRAO, USA; Australia Telescope National Facility, CSIRO, Australien; Max-Planck-Institut für Astronomie, Deutschland; INAF Osservatorio Astronomico di Cagliari, Italien; Space Research Unit, Physics Department, North West University, Südafrika; Department of Physics and Astronomy, Faculty of Physical Sciences, University of Nigeria; Institute for Radio Astronomy, Niederlande; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Deutschland

Originalpublikation

R. A. Burns et al.: A heatwave of accretion energy traced by masers in the G358-MM1 high-mass protostar – Nature Astronomy (2020) – Researchgate

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