Sterne mit Burn-out

Wenn in Sternen das nukleare Feuer erlischt, schrumpfen sie auf Erdgröße. „Weiße Zwerge" nennen Astronomen diese Ausgebrannten, die sogar lebensfreundliche Planeten beleuchten könnten.

Als vor 150 Millionen Jahren Saurier über die Kontinente stapften, waren die Nächte heller. Selbst zu Neumond hätten die Reptilien ihren eigenen Schatten sehen können, denn ein blauer Fixstern erhellte die Nacht: Sirius, auch heute das hellste Gestirn am Himmel, war damals noch weitaus leuchtkräftiger. Der Hauptstern im Sternbild Großer Hund ist nämlich in Wirklichkeit ein Doppelstern – er besteht aus zwei Sternen. Und zur Dinosaurier-Zeit überstrahlte Sirius B seinen Begleiter bei Weitem. Doch Sirius B verbrauchte seine Energie in rasendem Tempo. Vor 124 Millionen Jahren war kein nuklearer Brennstoff mehr übrig. Die Konsequenz: Sirius B schrumpfte auf Zwergenformat. Fortan war er bloß noch ein schwaches Lichtlein, das heutige Beobachter nur mühsam im Teleskop erkennen können. Die Astronomen haben für diese Burn-Out-Sterne einen Namen geprägt: Weiße Zwerge.

Seltsames Objekt im Netz

15 000 Weiße Zwergsterne gibt es wohl allein im Umkreis von 300 Lichtjahren. Sirius B ist der sonnennächste Weiße Zwerg, den die Forscher bislang aufgespürt haben. Sein Licht braucht nur 8 Jahre und 202 Tage für den Weg zur Erde. Entdeckt wurde er genau vor 150 Jahren, als der US-Astronom Alvan G. Clark in Cambridge ein nagelneues Linsenfernrohr zu Testzwecken auf den Hundsstern richtete. Bereits zwei Jahrzehnte zuvor hatte Friedrich Wilhelm Bessel, einer der führenden Astronomen seiner Zeit, den Begleiter vorhergesagt. Dem Direktor der Königsberger Sternwarte waren Abweichungen in der Bewegung des Sirius aufgefallen. Bessel vermutete als Ursache die Anziehungskräfte eines unsichtbaren Begleitsterns. Rund fünf Jahrzehnte, so seine Schätzung, benötigt der Begleiter für einen Umlauf – eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit dem heute bekannten Wert von 50,075 Jahren.

Was für ein seltsames Objekt da ins Netz gegangen war, ahnten die Astronomen damals nicht. 1914 erkannte Henry N. Russell aus Princeton den Zwergenwuchs des Sirius-Begleiters, als er Sirius B in das von ihm miterfundene Hertzsprung-Russell-Diagramm eintrug. Dieses Diagramm ordnet Sterne nach ihrer Leuchtkraft und Temperatur (bild der wissenschaft 12/2011, „Der Schlüssel zum Sternenhimmel"). Um zu verstehen, wieso Weiße Zwerge überhaupt stabil sind, bedurfte es jedoch der Quantenmechanik. Schließlich, zu Beginn der 1930er- Jahre, fanden die Physiker heraus, dass die Elektronen im Innern solcher Zwerge einen sogenannten Entartungsdruck verursachen. Dieser Druck schützt die ausgebrannten Himmelskörper vor dem völligen Kollaps. Maßgeblich beteiligt war der jugendliche Forscher Subrahmanyan Chandrasekhar, der später für seine Arbeiten zur Sternphysik mit dem Nobelpreis geehrt wurde (siehe Kasten „Gut zu Wissen: Weiße Zwerge").

Kontaminiert mit schweren Elementen

Die ausgebrannten Sterne geraten zunehmend in den Fokus der Forscher. Allein mit spektroskopischen Methoden wurden bis heute rund 10 000 Weiße Zwerge dingfest gemacht. Das am besten erforschte Exemplar ist Sirius B. Wie ein Team amerikanischer und deutscher Astronomen 2010 im Astrophysical Journal berichtete, sind die äußeren Schichten von Weißen Zwergen mit schweren chemischen Elementen verunreinigt – ein häufiger Effekt: „Von rund 300 Weißen Zwergen wissen wir, dass ihre Spektren durch schwere Elemente kontaminiert sind", sagt Benjamin Zuckerman von der University of California in Los Angeles. Dieses Material müsse von außen gekommen sein: „Weiße Zwerge ziehen mit ihrem gewaltigen Gravitationsfeld rasch alle chemischen Elemente schwerer als Helium in ihr Inneres. Wenn wir also solches Material auf der Oberfläche sehen, müssen wir die Quelle dafür finden."

Mit dem Keck-Teleskop auf Hawaii analysierte Zuckermans Team sichtbares und ultraviolettes Licht von kühlen, also vergleichsweise alten Weißen Zwergen. Dabei maßen sie die Häufigkeiten bestimmter chemischer Elemente. Wie die Astronomen berichten, fanden sie bei einem der Weißen Zwerge Sauerstoff, Magnesium, Silizium und Eisen – also Elemente, die 85 Prozent unserer Erde ausmachen. Die Astronomen interpretieren diese Substanzen als Relikte großer Asteroiden oder Planeten, die einst um den Zwergstern kreisten und von diesem verschluckt wurden.

In den äußeren Schichten von NLTT 43806 – einem anderen, rund 50 Lichtjahre entfernten Weißer Zwerg – stellten die Astronomen erhöhte Werte von Aluminium fest. Das Leichtmetall ist nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element in der Erdkruste. Eisen war in der spektralen Signatur von NLTT 43806 nur sehr schwach vertreten. Anders im Erdkörper: Dort ist Eisen das häufigste Element. Es liefert rund ein Drittel der Gesamtmasse. Am besten können die Forscher den Befund erklären, wenn sie annehmen, dass die Materie, die sich der Zwergstern einverleibt hat, vom Gestein eines erdähnlichen Planeten stammt. Dessen Kruste und oberer Gesteinsmantel hätten, so das Resultat der Auswertung, jeweils 30 beziehungsweise 70 Prozent zu der Verunreinigung beigetragen.

Folgenreicher Streifschuss

Zuckerman geht von folgendem Szenario aus: In der Umgebung von NLTT 43806 kam es zu einem Zusammenstoß eines Gesteinsplaneten mit einem anderen Himmelskörper. Der Aufprall erfolgte nicht zentral, sondern eher wie ein Streifschuss. Dabei wurde der Planet teilweise seiner äußeren Schichten beraubt: Etwa drei Prozent der Kruste und die doppelte Masse an Mantelgestein wurden ins All geschleudert und sammelten sich in einer Scheibe aus Trümmern um den Weißen Zwerg. Die Trümmer stürzten zum Teil in den ausgebrannten Stern. Den Zustrom an Materie, der immer noch andauert, schätzen die Forscher auf mindestens 300 Tonnen pro Sekunde.

Zertrümmerte Planeten sind nicht unbedingt der Schlusspunkt der Entwicklung solcher Systeme. Laut Eric Agol von der University of Washington könnten auch intakte Planeten um Weiße Zwerge kreisen – und manche davon wären sogar lebensfreundlich. Im vergangenen Jahr forderte der Astronom aus Seattle im Astrophysical Journal, die Suche nach erdähnlichen Exoplaneten auf Weiße Zwerge auszudehnen. Bislang konzentrierten sich die Forscher auf Sterne ähnlich der Sonne. Die lebensfreundliche Zone um einen 5000 Grad Celsius heißen Weißen Zwerg – eher ein kühles Exemplar – ist relativ nahe bei dem Zwergstern: in rund 1,5 Millionen Kilometer Abstand, also in knapp der vierfachen Distanz Erde–Mond. Dort könnte flüssiges Wasser auf einem Planeten existieren.

Verräterische Verdunklung

Bevor der alternde Vorgängerstern zum Weißen Zwerg kollabiert, bläht er sich noch einmal auf. Dabei verschlingt dieser Roten Riesenstern seine inneren Planeten. Im Sonnensystem droht zumindest Merkur und Venus eines Tages dieses Los, wahrscheinlich auch der Erde (siehe „EK Boo und das Schicksal der Erde" ab Seite 58). Trotz dieser ungünstigen Bedingungen könnten, so Agol, Planeten nahe um Weiße Zwerge kreisen – zum Beispiel, wenn sie erst nach der Rote-Riese-Phase von einer sicheren äußeren Bahn nach innen gewandert sind. Oder wenn sie sich erst später zusammengeballt haben – womöglich aus den Überresten eines Planetensystems des Vorgängersterns. Jedenfalls wären solche hypothetischen Planeten leicht aufzuspüren. Ein kleines Pilotprojekt zur Suche ist bereits im vergangenen September angelaufen. Dabei fahndeten Amateurastronomen im Licht von Weißen Zwergen nach kurzen Verdunklungen, die auftreten, wenn ein Planet vor dem Zwergstern vorüberzieht. Doch die Planetenjagd dauerte nur einen Monat lang – möglicherweise war das viel zu kurz für einen erfolgreichen Fund.

Auch die Profis denken darüber nach, mit ihren Großteleskopen in die Jagd einzusteigen, berichtet Agol. Fest steht: Wenn solche Trabanten tatsächlich existieren, werden sie nicht lange im Verborgenen bleiben. Sirius B gehörte übrigens nicht zu den untersuchten Exemplaren. ■

THORSTEN DAMBECK ist Physiker und regelmäßiger bdw-Autor. Im November berichtete er über trojanische Kleinplaneten um die Erde.

von Thorsten Dambeck

GUT ZU WISSEN: Weisse Zwerge

Weiße Zwerge sind allgegenwärtig – mehr als 97 Prozent aller Fixsterne werden so enden. Es ist das vorgezeichnete Schicksal aller Sterne mit einer Anfangsmasse bis zum Elfachen der Sonnenmasse. Die meisten Weißen Zwerge besitzen 0,56 Sonnenmassen. Das sogenannte Chandrasekhar-Limit besagt, dass sie nicht schwerer als 1,4 Sonnenmassen sein können, denn sonst hätte der Kollaps des Vorgängersterns zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch geführt.

Zwar zehren die Weißen Zwerge noch von der Hitze aus der Zeit, als die Verschmelzung von Atomkernen im Innern ihrer Vorgängersterne Energie erzeugte, sie kühlen jedoch langsam aus. Unsere Sonne wird noch etwa 7,6 Milliarden Jahre Kernfusion betreiben, danach erlischt sie und verwandelt sich ebenfalls in einen Weißen Zwerg. Sie schrumpft dabei auf ein Millionstel ihres heutigen Volumens und endet kaum größer als unsere Erde. Eingezwängt auf winzigem Raum erzeugt die verbleibende Sternmaterie ein gewaltiges Schwerefeld: An der Sternoberfläche ist es etwa 100 000 Mal stärker als das der Erde.

Der Paartanz von Sirius

Der 8,6 Lichtjahre ferne Hundsstern Sirius A kreist mit dem Weißen Zwerg Sirius B um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Die Grafik zeigt die elliptische Umlaufbahn des Zwergsterns relativ zu Sirius A, wie sie am irdischen Nachthimmel erscheint. Den geringsten Abstand hatten die beiden Sterne zuletzt 1994.

Himmlischer Komponist

Karlheinz Stockhausen, Exzentriker und führender Avantgarde-Komponist des 20. Jahrhunderts, wurde angeblich „auf einem Planeten im Sirius-System ausgebildet", wie er gegenüber der Presse behauptete. Der englische Guardian ließ es sich nicht nehmen, deshalb einen Artikel mit der Überschrift „Beam me up, Stocky" zu bringen. Für Nachfragen, ob Sirius B vielleicht Planeten hat, ist es aber zu spät – Stockhausen verstarb 2007.

KOMPAKT

· Weit mehr als 90 Prozent aller Sterne enden als Weiße Zwerge, darunter auch unsere Sonne.

· In 50 Lichtjahren Entfernung haben Astronomen einen Zwergstern entdeckt, auf den jede Sekunde 300 Tonnen Gesteinsmaterial niederprasseln – wahrscheinlich sind es die Trümmer eines Planeten-Crashs.

MEHR ZUM THEMA

Lesen

Wissenschaftliches Lehrbuch: Alfred Weigert, Heinrich J. Wendker, Lutz Wisotzki ASTRONOMIE UND ASTROPHYSIK Wiley-VCH, Weinheim 2009, € 59,–

Internet

Bericht über die Suche nach Planeten bei Weißen Zwergsternen: www.skyandtelescope.com/news/ 126714128.html

Umfangreicher aktueller Fachartikel über Weiße Zwerge: arxiv.org/abs/1007.2659

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