Zu zweit besser als allein: kosmischer Ursprung von Kohlenstoff

Eine neue Studie unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik zeigt, dass massereiche Sterne doppelt so viel Kohlenstoff produzieren, wenn sie einen Begleitstern haben. Die Wissenschaftler stützen sich dabei auf neue, hochmoderne Computersimulationen. Ihre Erkenntnisse sind ein wichtiger Schritt um besser zu verstehen, wo die Elemente, aus denen wir bestehen, ihren kosmischen Ursprung haben. Eine Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik.

Quelle: MPA.

Massereiche Sterne kommen oft in engen Doppelsternsystemen vor, bei denen ein Stern seinem Begleitstern Masse entzieht. Neue Untersuchungen von MPA-Forschern haben nun gezeigt, dass diese Doppelsternsysteme etwa doppelt so viel Kohlenstoff produzieren wie einzelne, massereiche Sterne. (Bild: ESO/M. Kornmesser/S.E. de Mink)

11. Oktober 2021 – Der kosmische Ursprung von Kohlenstoff, einem grundlegenden Baustein des Lebens, ist immer noch ungeklärt. Massereiche Sterne spielen eine wichtige Rolle bei der Synthese aller schweren Elemente, von Kohlenstoff und Sauerstoff bis hin zu Eisen. Doch obwohl die meisten massereichen Sterne in Mehrfachsternsystemen geboren werden, haben die bisherigen Nukleosynthesemodelle fast ausschließlich Einzelsterne betrachtet. Ein internationales Team von Astrophysikern unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA) hat nun den „Kohlenstoff-Fußabdruck“ von massereichen Sternen berechnet, die ihre Hülle in einem Doppelsternsystem abgeben.

„Im Vergleich zu einem einzelnen Stern produziert ein massereicher Stern in einem Doppelsternsystem im Durchschnitt doppelt so viel Kohlenstoff“, berichtet Robert Farmer, der Erstautor der Studie. „Bis vor Kurzem haben die meisten Astrophysiker nicht berücksichtigt, dass massereiche Sterne oft Teil eines Doppelsternsystems sind. Wir haben zum ersten Mal untersucht, wie die Anwesenheit eines Begleiters die Menge der von ihnen erzeugten Elemente verändert.“

Die meisten Sterne, einschließlich unseres eigenen Sterns, der Sonne, werden durch die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium angetrieben. In ihren „goldenen Jahren“, nachdem sie etwa 90 % ihres Lebens hinter sich haben, beginnen sie mit der Umwandlung von Helium in Kohlenstoff und Sauerstoff. Sterne wie die Sonne hören hier auf, aber massereiche Sterne können weiterhin Kohlenstoff zu schwereren Elementen bis hin zu Eisen fusionieren.

Schematische Darstellung der Kernfusionskette in massereichen Sternen: Nach dem Wasserstoffbrennen fusioniert Helium zu Kohlenstoff, der dann zu Sauerstoff und noch schwereren Elementen weiterverarbeitet werden kann. (Bild: MPA)

Die große Herausforderung besteht nicht in der Herstellung von Kohlenstoff, sondern darin, ihn aus dem Stern herauszuholen, bevor er zerstört wird. Bei Einzelsternen ist dies sehr schwierig. Sterne in Doppelsternsystemen können miteinander wechselwirken und Masse auf einen Begleiter übertragen (siehe Abbildung ganz oben). Der Stern, der Teile seiner Masse verliert, entwickelt eine kohlenstoffreiche Schicht nahe der Oberfläche, die bei der Explosion des Sterns als Supernova ausgestoßen wird.

„Es ist vielleicht nicht fair, Doppelsterne für die Treibhausgase verantwortlich zu machen, die die globale Erwärmung verursachen“, scherzt Selma de Mink, Mitautorin dieser Studie und Direktorin der neuen Abteilung für stellare Astrophysik am MPA, „aber ist es nicht cool, sich in den Arm zu kneifen und festzustellen, dass der Kohlenstoff in Ihrer Haut wahrscheinlich in einem Doppelstern entstanden ist?“

Die Gesamtausbeute an Kohlenstoff in massereichen Sternen in Doppelsternsystemen (rot) ist etwa doppelt so hoch wie bei einzelnen massereichen Sternen (blau), wie die neue Studie herausgefunden hat. (Bild: MPA)

Astronomen untersuchen auch andere Arten von Sternen, die Kohlenstoff produzieren können, wie zum Beispiel rote Riesen oder Explosionen von Weißen Zwergen. Bisher scheint es jedoch so zu sein, dass massereiche Sterne, und nach dieser neuen Studie insbesondere Doppelsterne, den größten Teil des kosmischen Kohlenstoffs produzieren.

„Unsere Ergebnisse sind ein kleiner, aber wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Rolle massereicher Sterne bei der Erzeugung der Elemente, aus denen wir selbst bestehen“, erklärt Robert Farmer. „Bislang haben wir nur eine Art von Wechselwirkung in Doppelsternsystemen untersucht. Es gibt viele andere mögliche Lebenswege für einen Stern, der in der Nähe eines Begleiters geboren wird – und viele andere Elemente, die es zu erforschen gilt.“ Die in dieser Studie vorgestellten Ergebnisse sind also nur der Anfang einer systematischen Untersuchung der Auswirkungen, die ein naher Begleiter auf die chemische Ausbeute massereicher Sterne hat.

Originalveröffentlichung:
R. Farmer, E. Laplace, S. E. de Mink, S Justham
The cosmic carbon footprint of massive stars stripped in binary systems

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