Sterne mit beschleunigter chemischer Uhr

Alt oder jung? Herkömmliche Methoden der Altersbestimmung von Sternen können irreführend sein, wie eine neu entdeckte Ansammlung Roter Riesen zeigt.

10. April 2015

Eine Gruppe Roter Riesensterne, deren chemische Uhr aus dem Takt ist, hat ein internationales Team von Astrophysikern unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen entdeckt: Obwohl die Sterne ihrer chemischen Signatur nach alt sein sollten, erweisen sie sich als jung, wenn man ihr Alter mittels Asteroseismologie untersucht. Die Existenz dieser relativ jungen Sterne kann nicht mit den heutigen Standardmodellen der chemischen Entwicklung der Milchstraße erklärt werden. Dies weist darauf hin, dass sich die Anreicherung der galaktischen Scheibe mit chemischen Elementen weit komplexer gestaltete, als bisher angenommen. Die neue Studie wurde geleitet von Cristina Chiappini vom Leibniz-Institut für Astrophysik (AIP) in Potsdam.

Durch Kernfusion in ihrem Innern wandeln Sterne Wasserstoff und Helium, die in der Geburtsstunde des Universums ausschließlich vorlagen, in schwerere Elemente um. Wenn ein Stern nach Jahrmilliarden sein Leben in einer gewaltigen Supernova aushaucht, werden sie ins interstellare Medium freigesetzt – und ändern so dessen Zusammensetzung: Zum Wasserstoff und Helium gesellen sich weitere Elemente. Diese dienen dann als frischer, zusätzlicher Baustoff für neu entstehende Sterne. Mit jeder weiteren Sternengeneration muss somit die Inventurliste der Milchstraße neu geschrieben werden: Schwerere Elemente werden immer häufiger.

Künstlerische Darstellung Roter Riesensterne in der Milchstraße.

Doch während massereiche, kurzlebige Sterne vor allem Sauerstoff und weitere Elemente wie Neon, Magnesium, Silizium, Schwefel, Argon und Kalzium, so genannte Alpha-Elemente, produzieren, entsteht im Innern von masseärmeren, dafür aber langlebigen Sternen vermehrt Eisen. Im Laufe der Jahrmilliarden steigt deshalb die Konzentration der Alpha-Elemente im interstellaren Medium schneller an als die Konzentration von Eisen. Aus dem Verhältnis beider Stoffe im Spektrum eines heute sichtbaren Sterns lässt sich ablesen, welches Rohmaterial dem Stern zum Zeitpunkt seiner Geburt zur Verfügung stand – und damit das Alter des Sterns. Diese Methode der Altersbestimmung bezeichnen Astronomen als „chemische Uhr“. Für viele Sterne liefert sie verlässliche Altersschätzungen.

Die Autoren der jetzt veröffentlichten Studie zeigen hingegen, dass ein erhöhtes Verhältnis von Alpha-Elementen zu Eisen nicht garantiert, dass ein Stern tatsächlich alt ist. Erst seit kurzem erlaubt die Asteroseismologie, das Alter Roter Riesensterne auf anderem Wege und damit präziser zu ermitteln. „Die Asteroseismologie ermöglicht einen indirekten Blick in das Sterneninnere anhand ihrer globalen Schwingungen“, erklärt Nathalie Themessl vom MPS, die an den asteroseismischen Messungen der neuen Studie beteiligt war. „Mit Mitteln der Asteroseismologie lassen sich viele Eigenschaften von Sternen präziser als bisher bestimmen. Im Ergebnis sind asteroseismische Altersabschätzungen deshalb anderen überlegen.“

Die untersuchten Sterne liegen in den Sternbildern Schlange und Einhorn. Mit einem Alter von zum Teil weniger als vier Milliarden Jahren sind sie deutlich jünger als unsere Sonne, obwohl sie im Vergleich ein höheres Verhältnis von Alpha-Elementen zu Eisen aufweisen. Interessanterweise befinden sich die meisten dieser jungen Sterne in den inneren Regionen der galaktischen Scheibe, wo das Zusammenspiel zwischen Balken und Spiralarmen zu einem komplexen chemischen Anreicherungsszenario führt.

Bereits in früher veröffentlichten Stichproben wurden Sterne mit ähnlichen Eigenschaften gefunden. Allerdings handelte es sich nur um einzelne Exemplare. Die jetzt gefundene Gruppe umfasst 17 Sterne.

„Die Studie zeigt, wie wichtig die Asteroseismologie ist, um unser Wissen von der Entwicklung der Milchstraße zu verfeinern“, so Saskia Hekker vom MPS. „Wir rechnen mit weiteren Hinweisen zur Herkunft dieser Sterne und der komplexen chemischen Evolution der Milchstraße durch zukünftige Beobachtungen, “ so Cristina Chiappini vom AIP, Leiterin der Studie. Besonders asteroseismische Messungen des inneren Aufbaus dieser Sterne könnten helfen zu klären, wann es zu ihrer Anreicherung mit Alpha-Elementen kam.

Die neuen CoRoT- und APOGEE-Daten sind das Ergebnis einer Kollaboration von APOGEE (einer hochauflösenden Infrarothimmelsdurchmusterung und Teil des Sloan Digital Sky Survey III) mit dem Rote-Riesen-Team des CoRoT-Satelliten. Diese Kollaboration erlaubt die spektroskopische Nachbeobachtung hunderter Roter Riesensterne mit seismischen  Informationen. Nur mit CoRoGEE ist es möglich, die inneren Regionen der galaktischen Scheibe und das Alter der Feldsterne zu bestimmen.

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