Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena 17. Januar 2024.

17. Januar 2024 – Die Menschen der Antike kannten fünf Planeten: Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn, die sie für „Wandelgestirne“ hielten. Erst mit der kopernikanischen Wende im 16. Jahrhundert wurde auch die Erde selbst zu einem Planeten, der ebenso wie die bis dahin bekannten und die später entdeckten Vertreter Uranus und Neptun um unseren Planeten-Mutterstern – die Sonne – kreisen. Bis vor rund drei Jahrzehnten waren diese acht die einzigen bekannten Planeten überhaupt.

Seither hat sich die bekannte Planetenfamilie im Universum jedoch enorm erweitert: Nach der Entdeckung der ersten Vertreter außerhalb unseres Sonnensystems, ist die Zahl sogenannter extrasolarer Planeten (oder kurz Exoplaneten) heute bis auf über 5.000 angewachsen. „Während die große Mehrheit von ihnen wie die Planeten in unserem Sonnensystem um Einzelsterne kreisen, sind manche Exoplaneten aber auch Teil eines Mehrfachsternsystems“, sagt Kai-Uwe Michel, Doktorand am Astrophysikalischen Institut der Universität Jena. Er hat gemeinsam mit seinem Kollegen Dr. Markus Mugrauer in einer aktuellen Studie untersucht, wie viele der inzwischen bekannten Planeten-Muttersterne einen oder sogar mehrere Begleitsterne besitzen und welchen Einfluss diese stellare Multiplizität auf die Eigenschaften der Planetensysteme hat. Ihre Ergebnisse stellen die beiden Astrophysiker im Fachmagazin Monthly Notices of the Royal Astronomical Society vor.

Hunderte Begleitsterne von Planeten-Muttersternen neu entdeckt
Ihre Untersuchungen haben die beiden Forscher mithilfe von Beobachtungsdaten des Weltraumteleskops „Gaia“ der europäischen Weltraumagentur ESA durchgeführt und mehr als 2.200 Planeten-Muttersterne auf mögliche Begleitsterne untersucht. Bei etwa jedem fünften Planeten-Mutterstern wurden sie fündig. Insgesamt konnten sie mehrere Hundert neue Begleitsterne nachweisen. Damit steigt entsprechend auch die Zahl der bekannten Exoplaneten, die in Mehrfachsternsystemen zu finden sind. Dabei wurden Begleitsterne sowohl mit sehr geringen Abständen zu den Planeten-Muttersternen von nur wenigen astronomischen Einheiten (AE) gefunden, als auch weit entfernte Begleiter mit Abständen von bis zu 10.000 AE. Eine AE entspricht einer Strecke von ca. 150 Millionen Kilometer, was in etwa dem mittleren Abstand der Erde zur Sonne entspricht. Auch die Massen der detektierten Begleitsterne sind sehr unterschiedlich und reichen von ca. acht Prozent der Sonnenmasse für die masseärmsten bis zu 2,4 Sonnenmassen für die massereichsten Begleiter.

Neben Sternen wurden zudem auch eine Reihe von sub-stellaren Objekten, sogenannte Braune Zwerge, als Begleiter von Planeten-Muttersternen entdeckt. Die Mehrheit der detektierten Mehrfachsternsysteme mit Exoplaneten sind Doppelsterne. In vier dieser Systeme wurden Exoplaneten sogar um jeden der beiden Sterne dieser Systeme gefunden. Des Weiteren konnten bei einigen Planeten-Muttersternen gleich zwei Begleitsterne detektiert werden, die zusammen mit den Muttersternen hierarchische Dreifachsternsysteme bilden.

Schwergewichte unter den Exoplaneten häufiger in Mehrfachsternsystemen
So verschieden die Eigenschaften der entdeckten Sternsysteme mit Exoplaneten sind, so vielfältig erweisen sich auch die physikalischen und dynamischen Eigenschaften der Planeten in diesen Systemen. So unterscheiden sich etwa die Massen von Einzelstern- und Mehrfachsternplaneten deutlich voneinander. Im Mittel weisen Planeten in Mehrfachsternsystemen eine neun Mal höhere Masse auf als Einzelsternplaneten. Auch die Masse der Muttersterne selbst ist im Mittel höher, wenn diese Mitglieder von Sternsystemen sind. In Mehrfachsternsystemen ist zudem die Masse der Planeten vom gravitativen Störeinfluss des Begleitsterns abhängig. Je stärker dieser ist, desto höher ist im Mittel auch die Planetenmasse. Auch die Häufigkeit der massereicheren Braunen Zwerge in diesen Systemen wächst mit dem gravitativen Störeinfluss des Begleitsterns.

„Eine weitere wichtige Eigenschaft von Planeten ist die Exzentrizität ihrer Umlaufbahn“, erläutert Dr. Mugrauer. Diese wirke sich beispielsweise auf den mittleren Strahlungsfluss aus, den ein Planet von seinem Mutterstern empfängt, was unter anderem seine Oberflächentemperatur stark beeinflusst. „Es zeigte sich nun, dass diejenigen Exoplaneten mit den größten Bahn-Exzentrizitäten alle in Mehrfachsternsystemen zu finden sind.“ Zudem erhöht sich die Bahn-Exzentrizität von Planeten in diesen Sternsystemen mit dem gravitativen Störeinfluss des Begleitsterns.

Originalpublikation:
Kai-Uwe Michel, Markus Mugrauer, Gaia search for (sub)stellar companions of exoplanet hosts, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 527, Issue 2, January 2024, Pages 3183–3195,
doi.org/10.1093/mnras/stad3196
https://academic.oup.com/mnras/article/527/2/3183/7379625
pdf: https://academic.oup.com/mnras/article/527/2/3183/7379625

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• Exoplaneten

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 15. Januar 2024.

15. Januar 2024 – Seit langem geht man davon aus, dass massereiche Sterne als Zwillinge, Drillinge oder noch höhere Vielfachsysteme geboren werden. Jetzt konnte diese wichtige Rolle von Mehrlings-Sterngeburten erstmals durch systematische Beobachtungen bestätigt werden. Eine detaillierte Untersuchung mit dem ALMA-Radioobservatorium, bei der in einem massereichen Sternhaufen vier binäre Protosterne, ein Dreifach-, ein Vierfach- und ein Fünffachsystem gefunden wurden, bestätigt unser Verständnis der Entstehung massereicher Sterne: Solche Sterne werden tatsächlich sehr häufig als Mehrlinge geboren. Die Studie wurde jetzt in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Bei menschlichen Neugeborenen sind Mehrlinge selten. Weniger als 2 % aller Geburten sind Mehrlinge, meist Zwillinge. Bei massereichen Sternen hingegen gilt die Mehrlingsgeburt seit langem als die Norm. Das haben insbesondere Simulationen gezeigt, die den Kollaps riesiger Gas- und Staubwolken von den Anfängen bis zur Bildung einzelner Sterne im Wolkeninneren nachzeichneten: ein hierarchischer Prozess, bei dem sich größere Wolkenteile zu dichteren Kernregionen („cores“) zusammenziehen, in deren Inneren anschließend Sterne entstehen: massereiche Sterne, aber auch zahlreiche weniger massereiche Sterne. Auch unsere Sonne hat sich als massearmer Protostern in einem solchen massereichen Sternhaufen gebildet.

Massereiche Sterne, die mehr als das Achtfache der Masse unserer Sonne aufweisen, sind für die Astronomen aus mehreren Gründen besonders interessant: Aus ihnen entstehen Neutronensterne und Schwarze Löcher, einschließlich der Schwarzen Löcher, die verschmelzen und große Mengen an Gravitationswellen aussenden. Außerdem sind massereiche Sterne sehr hell, bis zu einer Million Mal heller als unsere Sonne. Das sind die Sterne, die wir noch über große Entfernungen sehen, eine Reihe davon sogar in anderen Galaxien.

Bisher gab es zwar ein gutes theoretisches Verständnis der Sternentstehung unter diesen Umständen, aber es fehlte die systematische Bestätigung durch Beobachtungen: Es ist sehr schwierig, in Sternentstehungsgebieten so kleine Details zu beobachten, dass sich Mehrfachsterne ausmachen lassen. Bisherige Beobachtungen konnten daher bisher nur einige wenige Kandidaten für isolierte Mehrfachsterne in massereichen Sternhaufen zeigen, aber nichts, was mit der von den Simulationen vorhergesagten wimmelnden Menge von Mehrfachsternen vergleichbar wäre.

ALMA-Beobachtungen eines massereichen Sternhaufens
Um die aktuellen Modelle für die Entstehung massereicher Sterne auf die Probe stellen zu können, waren genauere Beobachtungen erforderlich. Die Möglichkeit dazu wurde geschaffen, als in den 2010er Jahren das ALMA-Observatorium in Chile den Beobachtungsbetrieb aufnahm. In seiner jetzigen Form kombiniert ALMA bis zu 66 Radioantennen zu einem einzigen gigantischen Radioteleskop und ermöglicht so Radiobeobachtungen, die außergewöhnlich kleine Details zeigen. Unter der Leitung von Patricio Sanhueza vom japanischen Nationalobservatorium NAOJ und der Graduate University for Advanced Studies in Tokio und unter Beteiligung mehrerer Forscher des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg konnte eine Gruppe von Astronom*innen mit ALMA zwischen 2016 und 2019 dreißig vielversprechende massereiche Sternentstehungsregionen beobachten.

Die Auswertung der Daten war eine große Herausforderung und dauerte letztlich mehrere Jahre. Jede einzelne Beobachtung liefert rund 800 GB an Daten, und die Rekonstruktion der Bilder aus den Beiträgen der verschiedenen beteiligten Antennen ist bereits für sich genommen ein komplexer Prozess. Das jetzt veröffentlichte Ergebnis basiert auf der Analyse einer der beobachteten Sternentstehungsregionen; sie trägt die Katalognummer G333.23-0.06. Die Analyse wurde von Shanghuo Li vom MPIA geleitet, der auch der Hauptautor der jetzt in Nature Astronomy erschienenen Arbeit ist. Die rekonstruierten Bilder sind bemerkenswert: Sie zeigen Details bis hinunter zu etwa zweihundert Astronomischen Einheiten (dem 200-fachen der Entfernung zwischen Erde und Sonne) für eine große Region mit einem Durchmesser von rund 200.000 Astronomischen Einheiten.

Mehrlings-Sterne im Blick
Die Ergebnisse sind eine gute Nachricht für unser derzeitiges Verständnis der Entstehung massereicher Sterne. In G333.23-0.06 fanden Li und seine Kollegen nämlich ganze vier Doppelsternsysteme, dazu ein Dreifach-, ein Vierfach- und ein Fünffachsystem – in Übereinstimmung mit den Erwartungen. Die Details der Bilder begünstigen dabei sogar eines der Sternentstehungsmodelle gegenüber den anderen: Sie liefern Anzeichen für eine hierarchische Sternentstehung, bei der die Gaswolke zunächst in „Kerne“ („cores“) mit erhöhter Gasdichte zerfällt und in jedem dieser Kerne später ein Mehrfach-Proto-Sternsystem entsteht.

Henrik Beuther, Leiter der Sternentstehungsgruppe in der Abteilung Planeten- und Sternentstehung am Max-Planck-Institut für Astronomie, sagt: „Endlich konnten wir die Vielfalt an Mehrfach-Sternsystemen in einer massereichen Sternentstehungsregion direkt beobachten! Besonders spannend ist, dass die Daten sogar Unterstützung für ein spezifisches Szenario für die Entstehung massereicher Sterne liefen.“

Shanghuo Li, Astronom am Max-Planck-Institut für Astronomie und Erstautor der jetzt veröffentlichten Studie, fügt hinzu: „Unsere Beobachtungen scheinen darauf hinzudeuten, dass sich die Mehrfach-Systeme beim Kollaps der Molekül-Wolke recht früh bilden. Aber ist das wirklich der Fall? Um das beantworten zu können, schauen wir uns jetzt weitere Sternentstehungsgebiete, von denen einige noch jünger sind als G333.23-0.06.“ Konkret arbeiten die Astronomen derzeit an einer ähnlichen Analyse für die weiteren 29 massereichen Sternentstehungsgebiete, die sie beobachtet hatten. Bald sollen noch Daten zu weiteren 20 Systeme hinzukommen, aus neuen ALMA-Beobachtungen unter der Leitung von Li. Sind all diese Auswertungen fertig, lassen sich zum einen statistische Aussagen über die Mehrfach-Systeme treffen – ein weiterer Test der Modelle der Sternentstehung. Auch die Details der zeitlichen Entwicklung sollten sich klären lassen. Aber bereits mit den jetzt veröffentlichten Ergebnissen ist die Rolle von Mehrlings-Geburten bei der Bildung massereicher Sterne nun fest in der Beobachtung verankert.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebene Arbeit wurde veröffentlicht als Shanghuo Li et al., „Observations of high-order multiplicity in a high-mass stellar protocluster“ in der Zeitschrift Nature Astronomy.

Die beteiligten MPIA-Forscher sind Shanghuo Li, Henrik Beuther und Thomas Henning, in Zusammenarbeit mit Kollegen vom National Astronomical Observatory of Japan, National Institutes of Natural Sciences, Tokyo, Japan; dem Department of Astronomical Science, School of Physical Science, SOKENDAI (The Graduate University for Advanced Studies), Tokyo, Japan; dem Institut für Astronomie und die Abteilung für Physik, Nationale Tsing Hua Universität, Hsinchu, Taiwan; der Fakultät für Physik, Universität Duisburg-Essen, Duisburg, Deutschland; des Origins Institute und der Abteilung für Physik und Astronomie, McMaster-Universität, Hamilton, Ontario, Kanada; dem Department of Earth, Environment, and Physics, Worcester State University, Worcester, MA, USA; dem Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian, Cambridge, MA, USA; dem Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Shanghai, Volksrepublik China; dem Heidelberger Institut für Theoretische Studien, Heidelberg; der Graduate School of Informatics and Engineering, University of Electro-Communications, Tokyo, Japan; und der School of Astronomy and Space Science, Nanjing-Universität, Volksrepublik China.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von der ESO, der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) der USA und den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Republik Chile betrieben wird. Getragen wird ALMA von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsländer, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC), dem Ministry of Science and Technology (MOST) und NINS in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan sowie dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Originalveröffentlichung
Shanghuo Li, Henrik Beuther, et al.
Observations of high-order multiplicity in a high-mass stellar protocluster
Nature Astronomy (2024)
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02181-9
pdf: https://www.mpg.de/21360321/mpia-pm_li_preprint.pdf, https://www.nature.com/articles/s41550-023-02181-9.pdf

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• Sternentwicklung

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Quelle: AIP 28. März 2023.

28. März 2023 – Die Ergebnisse verbessern erheblich das Verständnis massereicher Sterne und ihre Rolle als Vorläufer von Supernovaexplosionen.

Blaue, sogenannte O-Typ-Sterne gehören zu den massereichsten Sternen in unserem Universum mit einer Masse von mehr als dem 18-fachen unserer Sonne. Zwar sind sie selten, aber so heiß und leuchtstark, dass vier der 90 hellsten von der Erde aus sichtbaren Sterne zu dieser Kategorie gehören. Sie sind von außerordentlicher Bedeutung, weil sie energiereiche physikalische Prozesse in Gang setzen, die die Struktur ganzer Galaxien beeinflussen und die Regionen zwischen den Sternen chemisch anreichern. In diesen Bereichen mit aktiver Sternentstehung, wie den Spiralarmen einer Galaxie, oder in Galaxien, die gerade kollidieren oder verschmelzen, findet man normalerweise O-Typ-Sterne. Solche massereichen Sterne sind für magnetische Studien von besonderem Interesse, da sie ihre Entwicklung explosionsartig als Supernova beenden und ein kompaktes Objekt wie einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch als Überrest hinterlassen.

Doppelsterne sind Systeme aus zwei Sternen, die durch die Schwerkraft aneinander gebunden sind und sich gegenseitig umkreisen. Wenn beide Komponenten Sterne vom Typ O sind, kann das Doppelsternsystem zu einem kompakten Objekt werden. Am Ende ihres Lebens erzeugen sehr massereiche Sterne ein Schwarzes Loch, während die weniger massereichen Sterne vom Typ O als Neutronensterne enden, wenn sie als Supernova „sterben“. Aus den Doppelsternen können also zwei Neutronensterne, ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch oder zwei Schwarze Löcher entstehen. Die Umlaufbahnen dieser Objekte verringern sich durch die Emission von Gravitationswellen und können von Gravitationswellendetektoren beobachtet werden.

Wie die Sonne haben auch massereiche Sterne stellare Winde – einen energiereichen Strom von geladenen Teilchen. Dieses Plasma reagiert auf das Magnetfeld des Sterns. Dadurch entsteht eine Struktur, eine Magnetosphäre, die alle Sterne und Planeten mit Magnetfeldern besitzen, einschließlich der Erde, die dadurch vor energiereicher kosmischer Strahlung geschützt ist. Das Plasma, das sich mit Tausenden von Kilometern pro Sekunde bewegen kann, ist dabei extremen Zentrifugalkräften ausgesetzt. Eine wissenschaftliche Theorie ist, dass dieser magnetische Mechanismus die eng gebündelte Explosion massereicher Sterne verursacht, und damit für langanhaltende Gammastrahlenausbrüche, Röntgenblitze und andere Phänomene in Zusammenhang mit Supernovae von Bedeutung ist.

Eine theoretische Erklärung für den Einfluss von Magnetfeldern auf Supernovae oder lang andauernde Gammastrahlenausbrüche wurde zwar schon vor Jahrzehnten vorgeschlagen, aber seither wurde nur von elf Sternen vom Typ O berichtet, die Magnetfelder aufweisen. Mit Ausnahme eines Sterns handelte es sich bei allen um Einzelsterne oder weite Doppelsterne. Diese Tatsache war sehr rätselhaft, da frühere Studien gezeigt hatten, dass über 90 % der Sterne vom Typ O in Mehrfachsystemen mit zwei oder mehr Sternen entstehen. In der Tat waren viele Astronominnen und Astronomen über die relativ geringe Anzahl von Magnetfeldnachweisen bei massereichen Sternen verwirrt, da sie einige der beobachteten physikalischen Eigenschaften von Mehrfachsystemen nicht interpretieren konnten, ohne die Wirkung eines Magnetfeldes zu berücksichtigen.

Um diese Diskrepanz zu beheben, führten die Autorinnen und Autoren der neuen Studie eine magnetische Untersuchung durch, bei der sie archivierte spektropolarimetrische Beobachtungen von Sternsystemen mit mindestens einer Komponente vom Typ O verwendeten. Die Spektropolarimetrie misst die Polarisation des Lichts, die Aufschluss über das Vorhandensein eines Magnetfelds in einem Stern gibt. Sie verwendeten Daten der hochauflösenden Spektropolarimeter HARPS, das am 3,6-Meter-Teleskop der ESO auf La Silla/Chile installiert ist, und ESPaDOnS am Canada-France-Hawaii-Teleskop auf Mauna Kea. Um die Daten zu analysieren, entwickelten sie ein spezielles, ausgeklügeltes Verfahren zur Messung des Magnetfeldes.

„Zu unserer Überraschung zeigten die Ergebnisse eine sehr hohe Häufigkeit des Magnetismus in diesen Mehrfachsystemen. In 22 der 36 untersuchten Systeme wurden definitiv Magnetfelder nachgewiesen, während nur drei Systeme keinerlei Anzeichen eines Magnetfeldes aufwiesen“, erklärt Dr. Silva Järvinen, Wissenschaftlerin in der Abteilung Sternphysik und Exoplaneten am AIP. „Die große Anzahl von Systemen mit magnetischen Komponenten gibt Rätsel auf, deutet aber wahrscheinlich darauf hin, dass die Tatsache, dass diese Sterne sich als Doppelsternsysteme entwickelt haben, eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung von Magnetfeldern in massereichen Sternen spielt, und zwar durch Wechselwirkungen zwischen den Systemkomponenten, wie z. B. Massentransfer zwischen den Sternen oder sogar durch eine Verschmelzung zweier Sterne. Diese Arbeit ist auch die erste Beobachtungsbestätigung für das zuvor vorgeschlagene theoretische Szenario, wie das Magnetfeld eines Sterns seinen Tod beeinflusst und eine schnellere und heftigere Supernovaexplosion verursacht“, fährt Dr. Swetlana Hubrig fort.

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Originalveröffentlichung
S Hubrig, S P Järvinen, I Ilyin, M Schöller, R Jayaraman, Are magnetic fields universal in O-type multiple systems?, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023.
DOI: doi.org/10.1093/mnras/stad730
https://academic.oup.com/mnras/article/521/4/6228/7085749

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• Sternentwicklung

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