Quelle: AIP.

Beteigeuze strahlt als heller Stern im Sternbild Orion. Er gehört zur Klasse der Roten Überriesen und würde im Zentrum unseres Sonnensystems bis über die Jupiterbahn hinausreichen. Im Herbst 2019 begann eine plötzliche Verdunklung des Sterns, die zunächst mit Teleskopen und später sogar mit bloßem Auge von der Erde sichtbar wurde – und die Wissenschaft zunächst vor ein Rätsel stellte. Der Stern ist mit seiner Entfernung von etwa 725 Lichtjahren unserem Sonnensystem relativ nahe. Tatsächlich hat das Verdunklungsereignis damit um das Jahr 1300 stattgefunden, da sein Licht die Erde erst jetzt erreicht. Beteigeuze wird sein Leben in einer Supernova-Explosion beenden. Einige Astronomen glauben, dass die plötzliche Verdunklung einen Vorboten der Supernova darstellen könnte.

Dank neuer Beobachtungsdaten, die mit dem Hubble Space Teleskop entstanden sind, hat ein internationales Team nun eine Staubwolke als wahrscheinliche Ursache für die Verdunklung ausgemacht: Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gehen davon aus, dass der Stern superheißes Plasma aus einer großen Konvektionszelle von der Sternoberfläche ausstieß, ähnlich wie aufsteigende heiße Blasen in kochendem Wasser, nur mehrere hundert Mal so groß wie unsere Sonne. Das Material gelangte dann durch die heiße Atmosphäre zu den kälteren äußeren Schichten des Sterns. Dort kühlte es ab und die so entstandene riesige Staubwolke blockierte ab Ende 2019 das Licht von etwa einem Viertel der Sternoberfläche. Im April 2020 hatte Beteigeuze seine normale Helligkeit wieder erreicht.

Die Hubble-Beobachtungen sind Teil einer dreijährigen Studie der Schwankungen in der äußeren Atmosphäre des Sterns. Die seither entstandene Zeitreihe liefert wichtige neue Hinweise auf den Mechanismus hinter der Verdunklung. Hubble beobachtete die Schichten über der Oberfläche des Sterns, die so heiß sind, dass sie hauptsächlich im ultravioletten Bereich des Spektrums leuchten.

In den Herbstmonaten 2019 spürte Hubble dichtes, heißes Material in der Atmosphäre des Sterns auf. „Mit Hubble sahen wir, wie das Material die sichtbare Oberfläche des Sterns verlässt und sich durch die Atmosphäre bewegt, bevor sich der Staub bildet, der den Stern zu verdunkeln scheint“, sagt die leitende Forscherin Andrea Dupree, stellvertretende Direktorin des Zentrums für Astrophysik | Harvard & Smithsonian. „Wir konnten den Effekt einer dichten, heißen Region im südöstlichen Teil des Sterns sehen, die sich nach außen bewegt. Dieses Material war zwei- bis viermal heller als die normale Helligkeit des Sterns. Und dann, etwa einen Monat später, verdunkelte sich die Südhalbkugel von Beteigeuze auffallend, als der Stern schwächer wurde. Wir halten es für möglich, dass eine dunkle Wolke aus dem von Hubble entdeckten Ausstoß resultierte.“

Von besonderer Bedeutung während der Zeit der großen Verdunklung waren Geschwindigkeitsmessungen der äußeren Schichten von Beteigeuze mit dem STELLA-Teleskop des AIP auf Teneriffa, dessen Beobachtungen die von Hubble ergänzen. „STELLA wurde zur Beobachtung einzelner Objekte über einen sehr langen Zeitraum – insbesondere magnetisch aktiver Sterne – konstruiert. Es eignet sich perfekt für die Beobachtung heller Sterne wie Beteigeuze. STELLA beobachtete den Stern bereits seit 2006 praktisch in jeder klaren Nacht“, erklärt Klaus Strassmeier, Co-Autor der Studie und Direktor am AIP.

Obwohl die Ursache des Ausbruchs nicht bekannt ist, hält es das Forschungsteam für wahrscheinlich, dass er mit dem Pulsationszyklus des Sterns zusammenhängt und dadurch begünstigt wurde. Dieser setzte sich während des gesamten Ereignisses normal fort. Die AIP-Wissenschaftler setzten STELLA ein, um Veränderungen in der Geschwindigkeit des Plasmas auf der Sternoberfläche zu messen, während es im Laufe des Pulsationszyklus auf- und abstieg. Als das heiße Material aufstieg, dehnte sich der Stern in seinem Zyklus zur gleichen Zeit aus. Die Pulsation, die sich von Beteigeuze nach außen hin ausbreitete, hat möglicherweise dazu beigetragen, das ausströmende Plasma durch die Atmosphäre zu treiben.

„Hätte ein großer und sehr kühler Sternfleck die Verdunklung verursacht, wären die Geschwindigkeiten des Plasmas nicht der Pulsation, sondern der Rotation des Sterns gefolgt. Diese ist übrigens sehr langsam und beträgt viele Jahre. Sie hätte daher nicht zeigen können, was STELLA beobachtete, und schon gar nicht eine Umkehrung der Geschwindigkeit des Plasmas, als der Stern am schwächsten war“, schließt Strassmeier.

Originalpublikation
Andrea K. Dupree, Klaus G. Strassmeier, Lynn D. Matthews, Han Uitenbroek, Thomas Calderwood, Thomas Granzer, Edward F. Guinan, Reimar Leike, Miguel Montargès, Anita M. S. Richards, Richard Wasatonic, and Michael Weber (2020): Spatially Resolved Ultraviolet Spectroscopy of the Great Dimming of Betelgeuse. The Astrophysical Journal, 899, 68

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• Beteigeuze (α orionis)

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Quelle: AIP.

Junge Exoplaneten leben in einer riskanten Umgebung: Ihre Sterne erzeugen große Mengen energiereiche Röntgenstrahlung, typischerweise tausend- bis zehntausendmal mehr als unsere eigene Sonne. Diese Röntgenstrahlung kann die Atmosphäre von Exoplaneten erwärmen und manchmal sogar regelrecht wegkochen. Wie viel von der Atmosphäre eines Exoplaneten im Laufe der Zeit verdampft, hängt von den Eigenschaften des Planeten ab – seiner Masse, seiner Dichte und wie nahe er sich an seiner Sonne befindet. Aber wie sehr beeinflusst ein Stern, was über Milliarden von Jahren mit seinen Planeten passiert? Dies ist eine Frage, mit der sich Astronominnen und Astronomen des AIP in einem neuen Artikel befassen.

Dafür untersuchten sie das kürzlich entdeckte System mit vier Planeten um den jungen Stern mit Namen V1298 Tau. Der Zentralstern ist ungefähr so groß wie unsere Sonne. Allerdings ist er nur etwa 25 Millionen Jahre alt, was im Vergleich zur Sonne mit ihren 4,6 Milliarden Jahren sehr jung ist. Der Stern beherbergt zwei Planeten, beide ungefähr so groß wie Neptun, die ihn sehr nah umkreisen, sowie zwei weitere Planeten, etwas weiter entfernt, in Saturn-Größe. „Wir haben das Röntgenspektrum des Sterns mit dem Chandra-Weltraumteleskop beobachtet, um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie stark er die Atmosphären seiner Planeten bestrahlt“, erklärt Katja Poppenhäger, Hauptautorin der Studie.

Das Team bestimmte so das mögliche Schicksal der vier Exoplaneten. Wenn das Stern-Planeten-System älter wird, dreht sich der Stern immer langsamer um seine eigene Achse. Die Rotation des Sterns ist jedoch die treibende Kraft für das Magnetfeld des Sterns, welches wiederum seine Röntgenstrahlung verursacht. „Die Verdampfung der Exoplaneten hängt davon ab, wie sich die Rotation des Sterns in den nächsten Milliarden Jahren entwickelt. Je schneller die Rotation des Sterns abnimmt, desto weniger Atmosphäre geht den Planeten verloren“, sagt Laura Ketzer, Doktorandin am AIP und Co-Autorin der Studie, die ein öffentlich zugängliches Computerprogramm geschrieben hat, das die Entwicklung der Planeten im Laufe der Zeit berechnet.

Die Berechnungen zeigen, dass die beiden innersten Planeten des Systems ihre Gasatmosphäre vollständig verlieren und als felsige Kerne enden können, wenn die Rotation des Sterns im Laufe der Zeit wenig abnimmt, während der äußerste Planet weiterhin ein Gasriese bleibt. „Für den dritten Planeten hängt es entscheidend davon ab, wie schwer er ist, was wir noch nicht wissen. Die Größe von Exoplaneten können wir mit der Transit-Methode messen, aber die Bestimmung der Planetenmasse ist viel schwieriger“, erklärt Co-Autor Matthias Mallonn, der die Transiteigenschaften des Systems mithilfe von Beobachtungen mit dem STELLA-Teleskop des AIP neu bestimmt hat.

„Röntgenbeobachtungen von Sternen mit Planeten sind für uns ein zentrales Puzzleteil, um etwas über die langfristige Entwicklung der Atmosphären von Exoplaneten zu lernen“, schließt Katja Poppenhäger. „Ich freue mich besonders über die Möglichkeiten, die sich uns durch Beobachtungen mit dem Röntgenteleskop eROSITA in den nächsten Jahren eröffnen.“ Das zum Teil vom AIP entwickelte eROSITA-Röntgenteleskop führt Beobachtungen des gesamten Himmels durch und liefert Röntgenstrahlungseigenschaften für Hunderte von Sternen mit Exoplaneten.

Publikation:
X-ray irradiation and evaporation of the four young planets around V1298 Tau
X-ray irradiation and evaporation of the four young planets around V1298 Tau

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• Exoplaneten

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