Quelle: Eberhard Karls Universität Tübingen 11. Oktober 2023.

11. Oktober 2023 – Sonnenähnliche Sterne beenden ihr Leben als Weißer Zwerg. Manche davon sind von einem planetarischen Nebel umgeben, der aus Gas besteht, das der sterbende Stern kurz vor seinem Tod abgestoßen hat. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Professor Klaus Werner vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen untersuchte jetzt erstmals einen Zentralstern eines planetarischen Nebels, der sich in einem offenen Sternhaufen befindet. Die Forscherinnen und Forscher konnten die Masse, die der Zentralstern im Laufe seines Lebens verloren hat, exakt bestimmen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

In unserer Milchstraße gibt es mehr als tausend offene Sternhaufen. Jeder von ihnen umfasst eine Ansammlung von bis zu einigen Tausend Sternen, die gleichzeitig aus einer dichten Wolke von Gas und Staub entstanden sind. „Dass die Sterne eines Haufens alle das gleiche Alter haben, hat für die Astrophysik eine besondere Bedeutung“, berichtet Klaus Werner. Sie unterschieden sich lediglich in ihrer Masse. „Je massereicher ein Stern ist, desto schneller verbraucht er seinen Kernbrennstoff durch die Fusion von Wasserstoff zu Helium. Desto kürzer ist auch sein Leben und desto schneller die Entwicklung zum Weißen Zwerg“, erklärt er.

Momentaufnahme der Entwicklung
Die Beobachtung eines Sternhaufens zeige wie ein Schnappschuss, wie weit entwickelt Sterne unterschiedlicher Masse im jeweils gleichen Alter zu einem bestimmten Zeitpunkt sind, sagt Werner: „In der Astronomie lassen sich Sternhaufen als eine Art Labor nutzen, in dem wir messen können, wie zuverlässig unsere Theorien der Sternentwicklung sind.“ Eine der größten Unsicherheiten in der Theorie der Sternentwicklung sei bisher die Frage, wie viel Materie ein Stern im Laufe seines Lebens verliert. Dieser Massenverlust sei erheblich. „Sterne wie unsere Sonne verlieren knapp die Hälfte ihrer Masse, bis sie sich zum Weißen Zwerg entwickelt haben. Sterne mit der achtfachen Masse der Sonne verlieren sogar rund 80 Prozent ihrer Masse“, sagt der Astrophysiker. Die Beziehung zwischen der Geburtsmasse der Sterne und der Masse zum Zeitpunkt des Todes als Weißer Zwerg bezeichnet man in der Astronomie als die Anfangs-Endmassen-Relation.

Die Masse von Weißen Zwergen in Sternhaufen könne bei der Beobachtung direkt mit der Masse in Beziehung gesetzt werden, die diese bei ihrer Geburt hatten, berichtet Werner: „Ganz besonders aussagekräftig sind die Daten sehr junger Weißer Zwerge, genau das sind Zentralsterne planetarischer Nebel.“ Man kenne bisher nur drei Sternhaufen, die einen planetarischen Nebel enthalten. „Bisher war noch keiner von deren Zentralsternen untersucht worden, weil sie alle sehr weit entfernt und lichtschwach sind.“

Spezielle chemische Zusammensetzung
Das Forschungsteam hat nun eines der größten Teleskope der Welt, das Zehn-Meter-Teleskop GRANTECAN auf der Kanareninsel La Palma, auf den Zentralstern im Sternhaufen Messier 37 gerichtet und dessen Spektrum analysiert. Die Masse wurde auf 0,85 Sonnenmassen bestimmt und die ursprüngliche Masse auf 2,8 Sonnenmassen. „Der Stern hat also im Laufe seines Lebens 70 Prozent seiner Materie verloren“, erklärt Werner. Eine weitere Besonderheit sei seine spezielle chemische Zusammensetzung. Er habe keinen Wasserstoff mehr an der Oberfläche, was auf ein ungewöhnliches Ereignis in seiner jüngsten Vergangenheit hindeute: ein kurzzeitiges Wiederaufflammen der Kernfusion.

Die genaue Kenntnis der Anfangs-Endmassen-Relation ist von fundamentaler Bedeutung in der Astrophysik, sagt Werner. Sie entscheide darüber, ob ein Stern sich zum Weißen Zwerg entwickelt, in einer Supernova-Explosion zum Neutronenstern wird oder gar ein schwarzes Loch als Endstadium übrigbleibt. „Andererseits werden aus der ausgestoßenen Materie neue Sterngenerationen gebildet, die mit schweren Elementen als Produkte von Kernreaktionen angereichert sind. Davon hängt die chemische Entwicklung von Galaxien und letztendlich des gesamten Universums ab.“

Originalpublikation:
K. Werner, N. Reindl, R. Raddi, M. Griggio, L.R. Bedin, M.E. Camisassa, A. Rebassa-Mansergas, S. Torres, P. Goodhew: The unusual planetary nebula nucleus in the Galactic open cluster M37 and six further hot white dwarf candidates. Astronomy & Astrophysics, doi.org/10.1051/0004-6361/202347217.
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/10/aa47217-23/aa47217-23.html,
pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2023/10/aa47217-23.pdf;

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• Planetarische Nebel

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Quelle: Eberhard Karls Universität Tübingen 9. Januar 2023.

9. Januar 2023 – Mithilfe des größten Einzelteleskops auf der Südhalbkugel, dem SALT in Südafrika, hat ein internationales Team von Astronomen acht der heißesten Sterne im Universum entdeckt. Ihre Oberflächentemperatur liegt bei mehr als 100.000 Grad – die Oberfläche der Sonne erreicht lediglich 5.800 Grad. Die Entdeckungen entsprangen einem Forschungsprojekt unter der Leitung von Professor Simon Jeffrey vom Armagh-Observatorium in Nordirland, an dem Professor Klaus Werner vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen beteiligt ist. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.

Das Southern African Large Telescope (SALT) befindet sich rund 400 Kilometer nordöstlich von Kapstadt. Die Forscher untersuchten Daten, die mithilfe dieses Teleskops bei der Durchmusterung heliumreicher heißer Unterzwerge gewonnen wurden. Als Unterzwerge werden in der Astronomie Sterne bezeichnet, die sich zu Weißen Zwergen weiterentwickeln. „Weiße Zwerge sind ungefähr so groß wie die Erde, allerdings eine Million Mal massereicher. Sie sind die dichtesten existierenden Sterne, die aus normaler Materie bestehen. Ihre direkten Vorläufer, die heißen Unterzwerge, sind noch etwas größer. Sie ziehen sich zusammen und werden innerhalb weniger Tausend Jahre Weiße Zwerge“, erklärt Klaus Werner. „Sowohl die heißen Unterzwerge als auch die Weißen Zwerge können eine hohe Oberflächentemperatur haben. Von den acht superheißen Sternen, die wir entdeckt haben, war der heißeste ein Weißer Zwerg mit einer Oberflächentemperatur von 180.000 Grad.“

Bisher unbekannter planetarischer Nebel
Jeder der neuentdeckten Sterne sei mehr als einhundertmal heller als die Sonne, so Werner. Allerdings befänden sie sich – anders als die nur etwas mehr als acht Lichtminuten entfernte Sonne – zwischen 1.500 und 22.000 Lichtjahre fern der Erde und könnten daher nicht mit bloßem Auge gesehen werden. Einer der aufgefundenen Sterne ist der Zentralstern eines neu entdeckten planetarischen Nebels, der einen Durchmesser von einem Lichtjahr hat. Zwei der anderen Objekte sind oszillierende Sterne. „All diese Sterne befinden sich in einem weit fortgeschrittenen Stadium ihres Lebenszyklus und nähern sich dem Sterben als Weiße Zwerge“, sagt Werner und fügt hinzu: „Ich bin stolz darauf, diese bahnbrechende Forschung mit auf den Weg gebracht zu haben. Die Ergebnisse könnten auch ein neues Licht auf die Entstehung unserer Galaxie werfen.“

Der Mitautor der Studie Dr. Itumeleng Monageng von der University of Cape Town und dem South African Astronomical Observatory, dem Betreiber des SALT-Teleskops, sagt: „Die SALT-Durchmusterung heliumreicher heißer Unterzwerge hatte den Zweck, die Entwicklungswege unterschiedlicher Sterntypen in ihren späten Stadien zu erforschen. Die Entdeckung extrem heißer Sterne hat uns überrascht.“ Simon Jeffery erklärt, dass Sterne mit Temperaturen von 100.000 Grad oder mehr außerordentlich selten sind. „Überraschend war auch, dass bei unserer Himmelsdurchmusterung gleich so viele solcher Objekte gefunden wurden. Diese Entdeckungen werden hilfreich sein, um die Spätphasen der Sternentwicklung besser zu verstehen. Sie demonstrieren auch, dass SALT ein großartiges Teleskop für unser Projekt ist.“

Originalpublikation:
S. Jeffery, K. Werner, D. Kilkenny, B. Miszalski, I. Monageng, E.J. Snowdon: Hot White Dwarfs and Pre-White Dwarfs discovered with SALT. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, doi.org/10.1093/mnras/stac3531
https://academic.oup.com/mnras/article/519/2/2321/6967306

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• Sternentwicklung

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Quelle: Eberhard Karls Universität Tübingen 26. Oktober 2022.

26. Oktober 2022 – Der leichteste bisher bekannte Neutronenstern steht im Zentrum des Supernovaüberrests HESS J1731-347. Dr. Victor Doroshenko, Dr. Valery Suleimanov, Dr. Gerd Pühlhofer und Professor Andrea Santangelo von der Abteilung Hochenergieastrophysik am Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen entdeckten das ungewöhnliche Objekt mithilfe von Röntgenteleskopen im All. Nach Berechnungen des Forschungsteams besitzt er nur etwa die Hälfte der Masse eines typischen Neutronensterns. Als Berechnungsgrundlage nutzte es neue Entfernungsmessungen zu einem Begleitstern, den das gleiche Team bereits früher entdeckt hatte. So konnten die Astrophysiker Masse und Radius des Neutronensterns mit bisher unerreichter Genauigkeit angeben. Ihre Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Neutronensterne werden geboren, wenn normale Sterne mit großer Masse in der Explosion einer Supernova ‚sterben‘, berichtet Victor Doroshenko, der Hauptautor der Studie. Sie seien extreme Objekte, die sozusagen als Himmelslabore für Studien der physikalischen Grundlagenforschung genutzt werden können. „Neutronensterne weisen noch unbekannte Eigenschaften von Materie auf, sie haben eine viel höhere Dichte als Atomkerne“, sagt der Forscher. Solche Bedingungen könnten in irdischen Laboren nicht nachgebildet werden. „Beobachtungen von Neutronensternen im All mit Röntgen- oder anderen Teleskopen werden uns erlauben, die Rätsel der superdichten Materie zu lösen – zumindest, wenn wir Herausforderungen wie die bei der Beobachtung entstehende Unschärfe bei den Entfernungsmessungen in den Griff bekommen. Genau das ist uns nun gelungen.“

Präzise Berechnungen
Der Neutronenstern im Zentrum des Supernovaüberrests HESS J1731-347 war einer von einer Handvoll von Objekten, die bei Messungen der Gammastrahlung mit den H.E.S.S.-Teleskopen in Namibia entdeckt und anschließend durch Röntgenteleskope aus dem All untersucht wurden, berichtet Doroshenko. „Erst dadurch wurde der sich abkühlende Neutronenstern sichtbar“, setzt Gerd Pühlhofer hinzu. Die Besonderheit dieses Objekts ist, wie das gleiche Forschungsteam bereits früher festgestellt hatte, dass es mit einem weiteren Stern physikalisch verbunden ist. Er beleuchtet die Staubhülle um den Neutronenstern und taucht sie in infrarotes Licht. Der Begleitstern wurde kürzlich durch das Gaia-Weltraumteleskop der Europäischen Raumfahrtagentur beobachtet, was dem Forschungsteam eine akkurate Entfernungsmessung zu beiden Objekten lieferte. Bei der Gaia-Mission wird der Himmel hochgenau dreidimensional optisch durchmustert. „Dadurch konnten wir vorherige Ungenauigkeiten beheben und unsere Modelle verbessern. Masse und Radius des Neutronensterns ließen sich viel genauer bestimmen, als es bisher möglich war“, erklärt Valery Suleimanov aus der Theoretischen Astrophysik.

Noch sei nicht klar, wie sich das ungewöhnliche Objekt gebildet hat. Auch gebe es Zweifel, ob es sich tatsächlich um einen Neutronenstern handelt oder ob das Objekt Kandidat für ein noch viel exotischeres Objekt ist, das aus seltsamer Quark-Materie besteht, sagt Andrea Santangelo und setzt hinzu: „Das ist aktuell der vielversprechendste Quarkstern-Kandidat, den wir bisher kennen, auch wenn seine Eigenschaften mit denen eines ‚normalen‘ Neutronensterns übereinstimmen.“ Doch selbst in dem Fall, dass es sich bei dem Objekt im Zentrum von HESS J1731-347 um einen Neutronenstern handele, bleibe es ein besonders interessantes Objekt. „Es erlaubt uns, den noch unerforschten Teil des Parameterraums in der Masse-Radius-Ebene von Neutronensternen zu untersuchen. So erhalten wir wertvolle Hinweise auf die Zustandsgleichung der dichten Materie, mit der sich ihre Eigenschaften beschreiben lassen“, schließt Santangelo.

Publikation:
Victor Doroshenko, Valery Suleimanov, Gerd Pühlhofer and Andrea Santangelo: A strangely light neutron star within a supernova remnant. Nature Astronomy, 24. Oktober 2022, doi.org/10.1038/s41550-022-01800-1, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01800-1.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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