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Astronomie+Physik

Sternenembryo mit Hitzewallungen

Protostern
Künstlerische Darstellung eines Protosterns, der aus einer zirkumstellaren Scheibe Gas akkretiert und wächst. (Bild: NASA/JPL-Caltech, R. Hurt/ SSC)

Massereiche Sterne wachsen nicht allmählich heran, sondern in Schüben – so jedenfalls besagt es die gängige Theorie. Jetzt ist es Astronomen gelungen, solche Wachstumsschübe bei einem Protostern nachzuweisen. Mithilfe eines Verbunds von Radioteleskopen beobachteten sie sich schnell ausbreitende Strahlenquellen in der Umgebung des jungen Sterns. Sie sprechen dafür, dass Wellen intensiver Strahlung und Hitze das Gas in der Sternenumgebung durchlaufen. Demnach muss der Stern zu dieser Zeit neue Nahrung in Form von Material aus der ihn umgebenden Gas- und Staubscheibe aufgenommen haben.

Nach gängiger Theorie entstehen Sterne aus dichten Wolken kalten, interstellaren Gases. Durch Erschütterungen, beispielsweise die Schockwellen einer nahegelegenen Supernova, werden diese Gaswolken an einigen Stellen verdichtet. Diese Gasklumpen werden dann durch ihre eigene Schwerkraft weiter komprimiert und stürzen schließlich in sich zusammen. Durch diesen Kollaps entsteht ein Sternenembryo. Dieser Protostern wächst, indem er weiteres Material aus seiner Umgebung aufnimmt. Ab einer bestimmten Masse wird der schwerkraftbedingte Druck in seinem Inneren so groß, dass Atomkerne verschmelzen – die Kernfusion zündet und der Stern beginnt zu leuchten. Soweit das klassische Szenario für sonnenähnliche Sterne.

Schubweise Akkretion

Doch bei massereichen Sternen läuft das Ganze weit weniger glatt. Denn durch den enormen Schweredruck im Innern dieser stellaren Schwergewichte startet bei ihnen die Kernfusion, während sie noch wachsen. Das Problem jedoch: Der nach außen wirkende Strahlungsdruck schiebt das umgebende Gas weg und erschwert dem Protostern damit die Aufnahme weiteren Materials. Wie es solchen Sternen gelingt, trotz dieses Widerstands weiter zu wachsen, ist bislang erst in Teilen geklärt. Gängiger Theorie nach könnte dieses Wachstum durch kurze, starke Schübe der Materieaufnahme ermöglicht werden. Dabei zieht der Stern Gas aus der zirkumstellaren Scheibe phasenweise in einzelnen großen Paketen an sich und wird dabei kurzzeitig heller. „Solche Akkretionsereignisse sind aber sehr selten und schwer direkt zu beobachten“, erklären Ross Burns vom National Astronomical Observatory of Japan und seine Kollegen. Denn Protosterne sind meist tief in dichte Staub- und Gaswolken eingebettet.

Doch es gibt ein indirektes Indiz für solche stellaren Hitze- und Wachstumsschübe, wie die Astronomen erklären. Dieses besteht in einer verstärkten Maser-Emission im nahen Umfeld des Protosterns. Maser sind laserähnliche Strahlenquellen, die statt des sichtbaren Lichts Mikrowellenstrahlung abgeben. Diese Strahlung entsteht, wenn bestimmte Moleküle in den zirkumstellaren Scheiben durch die intensive Strahlung des Protosterns angeregt werden und dann ihrerseits Mikrowellen abgeben. „Die eigentliche Hitzewelle direkt im thermischen Infrarot zu beobachten, wäre sehr kompliziert“, erklärt Co-Autor Hendrik Linz vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg. „Die Maser als starke Strahlungsquellen in einem leicht zugänglichen Wellenlängenbereich sind ein sehr gutes Beobachtungswerkzeug, um auf kleinen räumlichen Skalen, und somit auf kurzen Zeitskalen nach einem Ausbruch, den Durchgang so einer Hitzewelle indirekt nachzuvollziehen.“

Schnelle Maser verraten stellare Wellen

Genau dies ist nun dem Astronomenteam beim massereichen Protostern G358.93-0.03-MM1 gelungen. Schon im Jahr 2019 hatten Beobachtungen gezeigt, dass es im Umfeld dieses Sterns starke durch angeregtes Methanol verursachte Maser gibt. Deshalb haben Astronomen im Rahmen der Maser Monitoring Organisation (M2O) diesen Stern in den letzten Monaten mit mehreren Radioteleskopen, darunter dem Very Long Baseline Array (VLBA), intensiv beobachtet. Burns und sein Team nahmen dafür im Abstand von einigen Wochen Radio-Interferometrie-Daten mit der hohen räumlichen Auflösung von 0,005 Bogensekunden auf. Bei der Auswertung dieser Daten stellten sie fest, dass die Maser ihre Position schnell veränderten – sie bewegten sich mit bis zu acht Prozent der Lichtgeschwindigkeit nach außen. „Eine so schnelle Transformation kann nicht auf die Bewegungen der Methanol-Gaswolken zurückgehen“, sagen die Forscher. Dafür war die Geschwindigkeit zu hoch. Stattdessen gehen sie davon aus, dass diese sich ausbreitenden Maser-Emissionen durch eine vom Stern ausgehende Energiewelle ausgelöst werden.

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Die Maserquellen liefern damit Indizien dafür, dass der junge Protostern G358.93-0.03-MM1 periodisch Wellen der Hitze und Strahlung abgibt – so, wie sie gängiger Theorie nach ei der schubweisen Akkretion entstehen. „Die M2O-Beobachtungen gehören zu den ersten, die die unmittelbaren Auswirkungen eines Akkretionsschubs in einem massereichen Protostern so detailliert bezeugen“, erläutert Burns. Damit bestätigen diese Beobachtungen dasss massereiche Jungsterne tatsächlich in Schüben wachsen.

Quelle: Ross Burns (National Astronomical Observatory of Japan, Tokio) et al., Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-019-0989-3

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