Wie sterbende Sterne das Universum aufwirbeln

Am Ende ihrer Lebenszeit blasen Sterne große Mengen an Staub und Gas als Sternwind ins Weltall. Nachdem der Großteil des Universums nur aus Wasserstoff und Helium besteht, ist die Erzeugung und Verbreitung von schwereren chemischen Elementen und Molekülen besonders wichtig für die chemische Entwicklung des Universums. Ein internationales ForscherInnenteam rund um Magdalena Brunner, Ernst Dorfi und Franz Kerschbaum vom Institut für Astrophysik der Universität Wien untersucht mit Hilfe von Radiobeobachtungen die "heiße Phase" des Sternwinds rund um sonnenähnliche, sterbende Sterne und hat dabei eine neue Struktur um TX Piscium im Sternbild der Fische entdeckt. Die Ergebnisse dazu sind aktuell im Fachmagazin "Astronomy & Astrophysics" erschienen.

In rund 4,5 Milliarden Jahren wird sich die Sonne zum Roten Riesen aufblähen, einen starken Sternwind entwickeln und weite Teile des Sonnensystems verschlingen. Was für die Erde nach Endzeit-Szenario klingt, passiert im Weltall täglich mit Millionen von sterbenden Sternen.

Im Inneren solcher Sterne werden durch Kernfusion über Milliarden von Jahren chemische Elemente produziert, die im restlichen Universum rar sind. Durch den damit angereicherten Sternwind, der in der letzten Lebensphase von sonnenähnlichen Sternen durch ein Zusammenspiel von Konvektion und Pulsation entsteht, werden diese Elemente ausgestoßen. Es bilden sich sogenannte zirkumstellare Hüllen aus Staub und Gas, die nach dem Sterntod übrigbleiben und sich mit dem interstellaren Medium, dem Stoff zwischen den Sternen, vermischen. So können daraus wiederum neue Sterne und Planetensysteme entstehen.

Die Forschungsgruppe am Institut für Astrophysik der Universität Wien unter der Leitung von Franz Kerschbaum beschäftigt sich intensiv mit der Beobachtung und Modellierung von außergewöhnlichen Strukturen, die sich in den zirkumstellaren Hüllen bilden. Im einfachsten Fall stößt ein kugelförmiger Stern einen kugelsymmetrischen Sternwind aus und die zurückbleibenden Sternhüllen haben eine runde, symmetrische Form. Nachdem aber schon kleinste Unregelmäßigkeiten und Asymmetrien auf der Sternoberfläche weitreichende Folgen für den Sternwind haben können und Sternwinde nicht immer gleichmäßig stark sind, bilden sich oft komplexe Strukturen.

"Wenn sich die Energieproduktion zwischen den Wasserstoff- und Helium-Schichten der Sternhülle abwechselt, führt das zur sogenannten thermischen Pulsation und einem - astronomisch gesehen - sehr kurzen aber extrem intensiven Massenverlust über einen starken Sternwind über wenige hundert Jahre", erklärt Franz Kerschbaum. "Dabei entstehen dünne Staub- und Gas-Schalen, ähnlich einem Rauchring, von denen uns bisher eine Hand voll bekannt ist".

Eine weitere hat Astrophysikerin Magdalena Brunner, ehemalige uni:docs-Doktorandin von Franz Kerschbaum, um den Stern TX Piscium entdeckt, als sie ein Beobachtungsprojekt mit dem weltweit leistungsfähigsten Radiointerferometer ALMA durchgeführt hat. "Wir wussten von früheren Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop Herschel, dass sich dort eine ringförmige Struktur befindet und wollten diese genauer untersuchen", so Brunner. Statt dem erwarteten symmetrischen Ring habe das Team allerdings eine abgeflachte Ellipse vorgefunden.

Die Entdeckung einer elliptisch abgeflachten Schale um einen kohlenstoffreichen Roten Riesen ist die erste ihrer Art. Die vorläufige Theorie der ForscherInnen ist, dass der Stern schneller als vermutet um seine eigene Achse rotiert. Durch die Rotation ergibt sich entlang des stellaren Äquators ein schnellerer Sternwind als entlang der Pole, wodurch eine elliptische Schale entsteht.

Die dafür notwendige Rotationsgeschwindigkeit schätzt das Forschungsteam mit Berechnungen von Ernst Dorfi auf ungefähr 2 Kilometer pro Sekunde, was für Rote Riesen eine ungewöhnlich hohe Geschwindigkeit ist. "Möglicherweise hat TX Piscium einen bisher unbekannten Sternpartner oder gar Planeten verschluckt und dessen Drehimpuls aufgenommen, um so selbst seine Rotation zu erhöhen", so Brunner.

Publikation in Astronomy & Astrophysics:
M. Brunner, M. Mecina, M. Maercker, E.A. Dorfi, F. Kerschbaum, H. Olofsson & G. Rau: "ALMA observations of the "fresh" carbon-rich AGB star TX Piscium: The discovery of an elliptical detached shell"
DOI: 10.1051/0004-6361/201833652