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Astronomie+Physik

Eine neue Art von Sternexplosion

Weißer Zwerg
Material ansaugender Weißer Zwerg in einem Doppelsternsystem. © ESO/M. Kornmesser, L. Calçada

Wenn Weiße Zwerge – die Überreste von sonnenähnlichen Sternen – einem Begleiter Material absaugen, kann das zu heftigen Explosionen führen. Meist zündet dabei kurzzeitig eine Fusionsreaktion auf dem gesamten Sternenrest. Doch jetzt haben Astronomen eine ganz neue Art solcher thermonuklearen Explosionen entdeckt. Bei diesen „Mikronovae“ konzentrieren starke Magnetfelder das vom Begleitstern abgesaugte Gas auf kleinstem Raum und schaffen so die Bedingungen für eine lokal begrenzte, nur wenige Stunden andauernde Fusionsreaktion. Solche Mikronovae haben die Forscher nun bei drei Weißen Zwergen beobachtet.

Weiße Zwerge sind das, was von massearmen Sternen wie unserer Sonne übrigbleibt, wenn sie am Ende ihres Lebenszyklus ihre äußeren Hüllen ausgeschleudert haben. Weil im Sternenkern kaum noch Kernfusion stattfindet, gibt er unter dem Druck der Gravitation nach und verdichtet sich zu einem extrem komprimierten Objekt. Ein Weißer Zwerg ist daher nur planetengroß, kann aber so schwer wie die Sonne werden. Wenn ein solcher Weißer Zwerg Teil eines engen Doppelsystems ist, kann seine Schwerkraft Gas von seinem Begleitstern absaugen und den Sternenrest gewissermaßen zu neuem Leben erwecken. Denn wenn dieser Wasserstoff auf der Oberfläche des Weißen Zwergs heiß und dicht genug wird, setzt vorübergehend eine explosive Kernfusion ein – es kommt zu einer Nova. Diese thermonukleare Kettenreaktion erfasst die gesamte Oberfläche des Sternenrests und lässt ihn mehrere Tage bis Wochen lang so stark aufleuchten, dass er alle umliegenden Sterne überstrahlen kann.

Flackernde Sternenreste

Jetzt haben Astronomen um Simone Scaringi von der Durham University in Großbritannien eine weitere, neue Art der Explosion bei Weißen Zwergen entdeckt. In ihrer Studie waren sie einem Phänomen nachgegangen, das Astronomen zuerst bei dem rund 1630 Lichtjahre entfernten Weißen Zwerg TV Columbae aufgefallen war. Dieser Sternenrest zeigt in unregelmäßigen Abständen immer wieder abrupte, kurze Helligkeitsausbrüche. „Während dieser Ausbrüche erhöht sich die optische und Infrarothelligkeit innerhalb von weniger als einer Stunde um das Dreifache und flaut dann in rund zehn Stunden wieder ab“, berichten Scaringi und sein Team.

Um diesem Phänomen nachzugehen, haben die Astronomen TV Columbae und zwei weitere Weiße Zwerge, EI Ursa Majoris und ASASSN-19bh, mit ähnlich kurzen Helligkeitsausbrüchen mit dem NASA-Weltraumteleskop TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) näher unter die Lupe genommen. Den dritten Weißen Zwerg beobachteten sie zusätzlich mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile. „Mit Hilfe des Very Large Telescope konnten wir feststellen, dass alle diese optischen Blitze von Weißen Zwergen erzeugt wurden“, sagt Co-Autorin Nathalie Degenaar von der Universität Amsterdam. Die Beobachtungen zeigten zudem, dass alle Ausbrüche von schnellen Material-Ausströmen begleitet waren: Das Material schoss mit rund 3500 Kilometern pro Sekunde von der Oberfläche des Weißen Zwergs ins All.

Lokal begrenzte thermonukleare Explosion

Aus den beobachteten Merkmalen der Ausbrüche schließen die Astronomen, dass es sich nicht um klassische Novae handeln kann – die Helligkeitsspitzen sind zu kurz, zu schwach und zu abrupt. Auch Ausbrüche in der Akkretionsscheibe aus Gas um den Weißen Zwerg, sogenannte Zwergnovae, passen nicht zum zeitlichen Ablauf der teilweise dicht aufeinander folgenden Ausbrüche, wie das Team erklärt. Stattdessen deutet alles darauf hin, dass es sich um eine lokale thermonukleare Explosion handelt. „Angesichts der kurzen Dauer und der freigesetzten Energien muss diese thermonukleare Reaktion auf ein kleines Gebiet der Sternenoberfläche beschränkt sein und nur eine begrenzte Menge an Material verbrennen“, schreiben Scaringi und seine Kollegen.

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Ausgehend von diesen Beobachtungen und auf Basis eines ergänzenden Modells schließen die Astronomen, dass es sich um eine neue Form der Explosion handeln muss. „Wir haben erstmalig ein Phänomen entdeckt und identifiziert, das wir als Mikronova bezeichnen“, erklärt Scaringi. Der Name bezieht sich darauf, dass diese Explosionen nur etwa ein Millionstel der Intensität einer Nova haben. Dennoch ist die freigesetzte Energie noch immer enorm: Ein einziger dieser Ausbrüche kann etwa 20.000 Billionen Tonnen Material verbrennen, das entspricht etwa der Masse von 3,5 Milliarden Cheops-Pyramiden. „Dieses Ereignis stellt unser Verständnis davon in Frage, wie thermonukleare Explosionen in Sternen ablaufen“, sagt Scaringi. Denn normalerweise breiten sich solche Kettenreaktionen sehr schnell über die gesamte Oberfläche eines Weißen Zwergs aus.

(Video: ESO)

Das wirft die Frage auf, warum und wie die Mikronova auf nur einen kleinen Teil der Oberfläche begrenzt bleibt. Die Astronomen vermuten, dass das starke Magnetfeld der drei Weißen Zwerge dabei eine entscheidende Rolle spielt. Die magnetischen Feldlinien können offenbar eine Art Käfig für das abgesaugte Material bilden und es so in einem kleinen Bereich der Oberfläche konzentrieren. „An der Basis der Magnetpole einiger Weißer Zwerge kann der Wasserstoffbrennstoff festgehalten werden, sodass die Fusion nur an diesen Magnetpolen stattfindet“, erklärt Co-Autor Paul Groot von der Radboud Universität in den Niederlanden. Das Team vermutet daher, dass solche Mikronovae im Kosmos deutlich häufiger sind als bisher beobachtet. „Diese Ereignisse können tatsächlich recht häufig vorkommen, aber weil sie so schnell ablaufen, ist ihre Beobachtung schwierig“, sagt Scaringi. Das Team möchte nun nach weiteren solchen Ereignissen fanden.

Quelle: Simone Scaringi (Durham University, UKL) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-022-04495-6

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