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„Astrotag bei Radio Jena (3/3)“ – Ein altes kosmisches Rätsel wurde gelöst und zugleich ein stellares „Missing Link“ gefunden

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Der sog. „Blaue Ringnebel“ des Sterns TYC 2597-735-1. – Foto: NASA/JPL-Caltech/M. Seibert (Carnegie Institution for Science)/K. Hoadley (Caltech)/GALEX Team

(NASA) – Im Jahr 2004 entdeckten Wissenschaftler des weltraumgestützten Galaxy Evolution Explorer Projekts (GALEX) der NASA ein Objekt, wie sie es in dieser Form noch nie in unserer Milchstraße gesehen hatten: einen großen, schwachen Gasklumpen mit einem Stern im Zentrum. In den GALEX-Bildern erschien die Gasblase blau – obwohl sie kein für das menschliche Auge sichtbares Licht emittierte – und nachfolgende Beobachtungen ergaben in seinem Innern eine dicke Ringstruktur. Das Team taufte das Objekt daher „Blauer Ringnebel“. In den folgenden 16 Jahren untersuchten man es mit mehreren erd- und weltraumgestützten Teleskopen, aber je mehr die Wissenschaft hierüber lernte, desto mysteriöser erschien es.

Eine neue Studie, die in dieser Woche online in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurde, hat den „Fall“ nun möglicherweise gelöst. Durch die Anwendung modernster theoretischer Modelle auf Basis der Datenmengen, die zum „Blauen Ringnebel“ gesammelt wurde, stellen die Autoren fest, dass der diese Gaswolke im Weltraum (von Astronomen schon immer „Nebel“ genannt) wahrscheinlich aus den Überresten zweier Sterne besteht, die miteinander kollidierten und zu einem einzigen Stern verschmolzen, wobei der „Blaue Ringnebel“ aus zwei hohlen, kegelförmigen Trümmerwolken zu bestehen scheint, die sich in entgegengesetzte Richtungen vom Zentralstern weg bewegen. Die Basis des einen Kegels bewegt sich hierbei fast direkt in Richtung unserer Erde, weswegen Astronomen, die den Nebel betrachten, zwei Kreise erkennen können, die sich teilweise überlappen.

Während man in der Astrophysik verschmolzene Sternensysteme als ziemlich häufig vorkommend ansieht, ist es nahezu unmöglich, sie unmittelbar nach ihrer Bildung zu untersuchen, da sie durch Trümmer verdeckt werden, die die Kollision freigesetzt haben. Sobald jedoch die Trümmer verschwunden sind – d. h. mindestens Hunderttausende von Jahren später -, sind sie nur noch schwer zu identifizieren, da sie nicht verschmolzenen Sternen ähneln. Der Blaue Ringnebel scheint in diesem Szenario das fehlende Glied zu sein: Astronomen sehen aktuell das Sternensystem nur wenige tausend Jahre nach der Fusion, zu einer zeit also, da es noch zahlreiche Beweise für die Vereinigung gibt. Der „Blaue Ringnebel“ scheint damit das erste bekannte Beispiel für ein verschmolzenes Sternensystem zu diesem frühen Zeitpunkt zu sein.

Hintergrund: GALEX wurde zwischen 2003 und 2013 betrieben und vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien verwaltet. Es wurde entwickelt, um die Geschichte der Sternentstehung im größten Teil des Universums zu untersuchen, indem junge Sternpopulationen aus anderen Galaxien gesucht werden. Zu diesem Zweck beobachtete die Mission sowohl nahes UV-Licht (Wellenlängen etwas kürzer als sichtbares Licht) als auch fernes UV-Licht. Die meisten von GALEX gesehenen Objekte strahlten sowohl nahes UV (in GALEX-Bildern als gelb dargestellt) als auch fernes UV (als blau dargestellt) aus, aber der Blaue Ringnebel fiel auf, da dieser nur fernes UV-Licht emittierte.

Seitenansicht und Sicht von der Erde aus: Der Blaue Ringnebel besteht aus zwei hohlen, kegelförmigen Trümmerwolken, die sich in entgegengesetzte Richtungen vom Zentralstern weg bewegen. – Grafiken: Mark Seibert

Die Größe des Objekts ähnelte entweder der eines Supernova-Überrests, der entsteht, wenn einem massiven Stern der „Treibstoff“ ausgeht und er explodiert, oder einem planetarischen Nebel aus herausgeblasenen Überresten eines Sterns von der Größe unserer Sonne. Aber der Blaue Ringnebel hatte einen funktionierneden Stern in seiner Mitte. Darüber hinaus strahlen Supernova-Überreste und planetare Nebel in mehreren Lichtwellenlängen außerhalb des UV-Bereichs, während weitere Untersuchungen zeigten, dass es bei dem „Blauen Ringnebel“ nicht so war.

2006 untersuchte das GALEX-Team den Nebel mit dem 5,1-Meter-Hale-Teleskop am Mt. Palomar-Observatorium im kalifornischen San Diego County und anschließend zusätzlich mit den noch leistungsstärkeren 10-Meter-Teleskopen das WM Keck Observatorium in Hawaii. Man fand Hinweise auf eine Schockwelle im Nebel, was darauf hindeutete, dass das Gas, aus dem der Nebel besteht, tatsächlich durch ein gewalttätiges Ereignis um den Zentralstern ausgestoßen wurde. Die Keck-Daten deuteten auch darauf hin, dass der Stern eine große Menge Material auf seine Oberfläche zog. Aber woher kam dieses Material?

„Lange Zeit dachten wir, dass es vielleicht einen Planeten gibt, vielleicht mit der Masse des Jupiter oder größer, der von dem Stern zerrissen wurde und der sein ganzes Gas ausgeworfen hatte“, berichtete Mark Seibert, Astrophysiker bei der Carnegie Institution for Science und Mitglied des GALEX-Teams. Aber sein Team wollte mehr Daten, um sich eine definitive Meinung bilden zu können. 2012 identifizierte das GALEX-Team mithilfe der ersten Vollhimmelvermessung des WISE (Wide Field Infrared Survey Explorer) der NASA, eines Weltraumteleskops, das den Himmel im Infrarotlicht untersuchte, eine Staubscheibe, die eng um den Zentralstern kreist. (WISE wurde übrigens 2013 als NEOWISE-Mission zur Asteroidenjagd reaktiviert!)

Archivdaten von drei anderen Infrarotobservatorien, darunter das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA, entdeckten die bewusste Scheibe ebenfalls. Das Ergebnis schloss zudem nicht aus, dass ein Planet immer noch den Stern umkreiste, aber schließlich stellte sich heraus, dass die Scheibe und das in den Weltraum ausgestoßene Material von seiner Menge her von etwas stammten musste, das größer war als selbst der riesigste Gasplanet. Im Jahr 2017 bestätigte sich zudem durch den Habitable Zone Planet Finder des Hobby-Eberly-Teleskops in Texas, dass kein kompaktes Objekt den Stern umkreist.

Astronomische Amateuraufnahme des Blauen Ringnebels mit einer Canon 80D plus SIGMA 200mm Linse bei 30 Sekunden Belichtung / ISO 3200. – Foto: Aaron Dalton / American Association of Variable Star Observers

Mehr als ein Jahrzehnt nach der Entdeckung des Blauen Ringnebels hatte das Team schließlich über das System Daten von vier Weltraumteleskopen zur Verfügung, dazu noch die von vier bodengestützten Teleskopen und darüber hinaus Aufzeichnungen historischer Beobachtungen des Sterns aus dem Jahr 1895 (bei letztern ging es um Änderungen seiner Helligkeit) und konnte auf die Hilfe von Hobbyastronomen durch die American Association of Variable Star Observers vertrauen.

Als Keri Hoadley im Jahre 2017 mit dem GALEX-Wissenschaftsteam zusammenarbeitete, „hatte die Gruppe mit dem Blauen Ringnebel eine Art Durchbruch erzielt, man wusste nur nicht welcher Art“, wie sie jüngst berichtet. Aber Hoadley, eine Caltech-Astrophysikerin, faszinierte das Objekt mit seinen Merkwürdigkeiter derst, dass sie sich selbst die Herausforderung setzte, das Rätsel endgültig zu lösen. Für sie war schnell kalr, dass die wahrscheinlichste Lösung sich nicht aus weiteren Beobachtungen des Systems ergeben würde, sondern aus verschiedenen modernen Astrophysik-Theorien, von denen eine möglicherweise aus den vorhandenen Daten einen Sinn ergeben könnte. Sie überzeugte Chris Martin von ihrer idee, den Principal Investigator bei GALEX, und dieser bat Brian Metzger von der Columbia University um Hilfe.

Als theoretischer Astrophysiker erstellt Metzger mathematische und rechnerische Modelle kosmischer Phänomene, mit denen sich vorhersagen lässt, wie diese Phänomene aussehen und sich verhalten werden. Er ist spezialisiert auf kosmische Fusionen – also Kollisionen zwischen verschiedenen Objekten, ob Planeten und Sterne oder zwei Schwarze Löchern. Mit Metzger an Bord und Hoadley als Leiterin der Arbeit ging es schnell voran. „Es war nicht nur so, dass Brian die Daten erklären konnte, die wir sahen. Er sagte im Wesentlichen voraus, was wir beobachtet hatten, bevor er es von uns wusste“, sagte Hoadley.

Das Team kam zu dem Schluss, dass der „Blaue Ringnebel“ das Produkt einer relativ jungen Sternfusion war, die wahrscheinlich zwischen einem Stern ähnlich unserer Sonne und einem anderen Stern stattfand, der nur etwa ein Zehntel dieser Größe (oder etwa das 100-fache der Masse des Jupiter) betrug. Gegen Ende seines Lebens schwoll der sonnenähnliche Stern an und schließlich fiel der kleinere Stern in eine Abwärtsspirale, um am Ende mit seinem größeren Begleiter zu fusionieren. Unterwegs riss der größere Stern den kleineren Stern auseinander und dieser wickelte sich in einen Trümmerring um ihn, bevor der kleinere Stern vollständig verschluckt wurde.

Der Blaue Ringnebel in Blickrichtung zur Erde hinSeitenansicht und Sicht von der Erde aus. – Grafik: Mark Seibert

Dies war das gewaltige Ereignis, welches im Grunde zur Bildung des Blauen Ringnebels führte. Durch den Zusammenschluss wurde eine Wolke heißer Trümmer in den Weltraum geschleudert, die von der Gasscheibe in zwei Teile geteilt wurde. Dadurch entstanden zwei kegelförmige Trümmerwolken, deren Basis sich in entgegengesetzten Richtungen vom Stern wegbewegten und noch immer bewegen und hierbei auf ihrem Weg nach außen breiter und breiter werden. Die Basis eines Kegels bewegt sich dabei fast direkt zur Erde hin und der andere fast direkt dieser weg. Sie sind zu schwach, um allein gesehen zu werden, aber der Bereich, in dem sich die Ringränder überlappen (d. h. von der Erde aus gesehen), bildet den beobachteten zentralen blauen Ring – im Grunde eine Dopplung schwacher Lichtenergien.

Jahrtausende vergingen und die sich ausdehnende Trümmerwolke kühlte ab, bildete Moleküle und Staub, einschließlich Wasserstoffmoleküle, die mit dem interstellaren Medium kollidierten – dies ist die spärliche Ansammlung von Atomen und energetischen Partikeln, die den Raum zwischen Sternen ausfüllen. Die Kollisionen erregten und bewegten die Wasserstoffmoleküle derart, diess diese in einer bestimmten Wellenlänge von fernem UV-Licht strahlen. Mit der Zeit wurde das Leuchten im Bereich der Lichtdopplung dann gerade so hell, dass es durch GALEX gesehen werden konnte.

Sternfusionen trten in unserer Milchstraßengalaxie etwa alle 10 Jahre auf, was bedeutet, dass eine beträchtliche Menge der Sterne, die wir am Nachthimmel sehen, möglicherweise früher einmal zwei Sterne waren, die irgendwann einmal fusionierten. Außerdem sieht man „viele Zwei-Sterne-Systeme, die eines Tages verschmelzen könnten, und wir glauben, wir haben Sterne identifiziert, die vor vielleicht Millionen von Jahren verschmolzen sind. Aber wir haben fast keine Daten darüber, was dazwischen passiert“, so Metzger. „Wir gehen davo aus, dass es in unserer Galaxie wahrscheinlich viele junge Überreste von Sternfusionen gibt, und der ‚Blaue Ringnebel‘ könnte uns zeigen, wie diese aussehen, damit wir zukünftig mehr von ihnen identifizieren können.“

Obwohl dies wahrscheinlich die Schlussfolgerung eines 16 Jahre alten Rätsels ist, könnte es auch der Beginn eines neuen Kapitels der Astrophysik bei der Untersuchung von Sternfusionen sein. „Es ist erstaunlich, dass GALEX dieses wirklich schwache Objekt finden konnte. Ein Objekt, nach dem wir nicht gesucht hatten, als wir es entdeckten. Und nun stellt sich das für Astronomen als eine wirklich interessante und bedeutende Entwicklung heraus“, sagt Seibert in der Zeitschrift „Nature“. „Es beweist zudem, dass man, wenn man das Universum in einer neuen Wellenlänge oder auf eine neue Weise beobachtet, Dinge findet, die man sich so nie vorgestellt hat.“

Autor: RADIO JENA Redaktion JENAhoch2

Die Rundfunkinitaitive "103komma4 FM" startete am 01.01.2000 bei Radio OKJ das lokale Hörfunkprogramm "Radio Jena". Ab 2007 erschien mit "Lichtstadt.Netz" (später "Lichtstadt.News") ein erstes Online-News-Angebot von Radio Jena, das 2014 zum Omnichannel-Media-Portal "JEZT" (heute: "JENAhoch2") ausgebaut wurde. Die gemeinsame Radio- und Online-Redaktion erarbeitet Reportagen, Analysen, Berichte und Infos. "JENAhoch2" wird ehrenamtlich betrieben, ist nicht-kommerziell und erzielt auch keinerlei Einnahmen durch die Veröffentlichung von Reklame.

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