Helligkeitsschwankungen sonnenähnlicher Sterne

Forschungsbericht (importiert) 2020 - Max Planck Institut für Sonnensystemforschung

Autoren
Shapiro, Alexander; Reinhold, Timo; Witzke, Veronika
Abteilungen
Abteilung Sonne und Heliosphäre; ERC Starting Grant “Connecting Solar and Stellar Variabilities (SOLVe)”
Zusammenfassung

Die Helligkeitsschwankungen kühler Sterne zeugen von der Wechselwirkung der Materie mit dem Magnetfeld in deren Atmosphären. Basierend auf aktuellen Beobachtungsdaten haben wir Computersimluationen durchgeführt, die zu einem besseren Verständnis über den Ursprung der stellaren magnetischen Aktivität und der daraus resultierenden Helligkeitsschwankungen beitragen. Zudem lassen sich aus diesen Messungen Rückschlüsse ziehen, wie sich die magnetische Aktivität der Sonne in der Vergangenheit verhalten hat und in Zukunft möglicherweise verhalten wird, sowie auf dessen Einfluss auf das Erdklima.

Helligkeitsschwankungen der Sonne und sonnenähnlicher Sterne

Die Helligkeit der Sonne schwankt auf Zeitskalen von Minuten bis zu Jahrzehnten. Dabei interessieren sich Wissenschaftler auch immer mehr dafür, wie diese Helligkeitsschwankungen das Erdklima beeinflussen. Dank dieses Interesses sind die Erkenntnisse über die Helligkeitsschwankungenin in den letzten drei Jahrzehnten rasant gewachsen [1]. Insbesondere stellte sich heraus, dass sich die Helligkeitsschwankungen der Sonne auf ihre magnetische Aktivität zurückführen lassen. Magnetfelder, die im Inneren der Sonne erzeugt werden, steigen an die Sonnenoberfläche auf und formen aktive Regionen, die aus dunklen Sonnenflecken und hellen Sonnenfackeln bestehen.

Für solare Helligkeitsschwankungen gibt es zwar seit langem umfangreiche Messdaten und zahlreiche Modelle, denn sie lassen sich auch vom Boden aus gut beobachten. Zu Helligkeitsschwankungen auf anderen Sternen wusste man hingegen lange Zeit nichts, da die Messungen bodengebundener Teleskope dazu nicht präzise genug sind. Dies änderte sich mit dem Aufkommen von Weltraummissionen für Transit-Photometrie und speziell mit dem Kepler-Weltraumteleskop. Das Hauptziel der Kepler-Mission (aber auch anderer Missionen wie CoRoT, TESS, und CHEOPS) ist die Suche nach extrasolaren Planeten bei fernen Sternen.

Wenn die Planeten vor ihrem Mutterstern vorüberziehen, verursachen sie periodische Schwankungen im Sternenlicht. Um Planeten detektieren zu können, nehmen die Weltraumobservatorien die Helligkeitsschwankungen der Sterne mit beispielloser Präzision und Wiederholungsrate auf. Mit diesen Messungen lassen sich nicht nur Planeten entdecken, sondern in vielen Fällen lassen sie sich auch charakterisieren und zum Beispiel ihre Radien bestimmen. Auf der Suche nach extrasolaren Planeten hat Kepler die Helligkeitsschwankungen von etwa zweihunderttausend Sternen gemessen und dabei unser Wissen über die Veränderlichkeit und Aktivität von Sternen revolutioniert. Man hat erkannt, dass Helligkeitsschwankungen eine intrinsische Eigenschaft von Sternen sind. Daraus kann man viel über einen Stern lernen, wie beispielsweise die Eigenschaften seines Aktivitätszyklus und sogar sein Alter.

Ist die Sonne ein sonnenähnlicher Stern?

Dank neuer Helligkeitsmessungen der Sterne ließ sich nun die Frage beantworten, ob die solare Variabilität auch typisch für andere sonnenähnliche Sterne ist. Als sonnenähnlich gelten Sterne, die eine ähnliche Oberflächentemperatur und chemische Zusammensetzung sowie ein ähnliches Alter wie die Sonne besitzen. Indem wir Daten der beiden Weltraumteleskope Kepler und Gaia kombinierten, konnten wir die Helligkeitsschwankungen von rund 2900 sonnenähnlichen Sternen messen  [2]. Abbildung 1 vergleicht die Helligkeitsschwankungen der Sonne der letzten 140 Jahre mit denen sonnenähnliche Kepler-Sterne.

Abb. 1: Häufigkeitsverteilung der stellaren Variabilität sonnenähnlicher Kepler-Sterne (schwarz) sowie der Sonne (orange).

In dieser Studie fanden wir heraus, dass rund 90 Prozent dieser Sterne eine ähnliche Variabilität wie die Sonne aufweisen. Überraschenderweise zeigen die restlichen zehn Prozent der Sterne jedoch eine deutlich höhere Variabilität! Das ist insofern verwunderlich, als diese Sterne in allen bekannten Parametern der Sonne ähneln, die Variabilität aber um ein Vielfaches höher ist. Eine mögliche Erklärung für dieses Phänomen ist, dass die Sonnenbeobachtungen schlichtweg nicht weit genug in die Vergangenheit reichen, um Phasen erhöhter Aktivität aufgezeichnet zu haben. Ein solches Szenario würde implizieren, dass auch die Sonne Phasen erhöhter Aktivität durchlaufen kann, in denen sie wiederum einen stärkeren Einfluss auf das Erdklima hätte.

Die Sonne als Musterbeispiel für Sternmodelle

Um die Helligkeitsschwankungen der Sterne und somit die Sterne selbst besser zu verstehen, haben wir realistische Computermodelle entwickelt, die auf dem Musterbeispiel der Sonne aufbauen. Unsere Simulationen zeigen, dass viele Faktoren wie etzwa die chemische Zusammensetzung der Sterne merklich ihre Helligkeitsschwankungen beeinflussen [3]. Um den Effekt der aktiven Regionen auf die Helligkeitsschwankungen akkurat zu beschreiben, benötigt man zum einen dreidimensionale Simulationen der Oberflächendynamik der Sterne und zum anderen Modelle, welche die Verteilung und zeitliche Entwicklung der aktiven Regionen bestimmen.

Mit diesen Sternmodellen können wir die Mechanismen erforschen, die bei einigen sonnenähnlichen Sternen viel stärkere Helligkeitsschwankungen hervorrufen als bei der Sonne. Demnach nehmen die Helligkeitsschwankungen besonders deutlich zu, wenn die aktiven Regionen etwas häufiger als bei der Sonne auftreten, vor allem aber, wenn solche Regionen eng beieinander liegen [4].

Abb. 2: Schematische Darstellung der möglichen Clusterbildung von Sternflecken. Links: schwache Clusterbildung; Mitte: starke Clusterbildung; Rechts: aktive Längengrade.

Interessanterweise stammt die ursprüngliche Idee dazu von Beobachtungen der Sonne selbst. Auf der Sonne treten aktive Regionen gewöhnlich in Gruppen auf. Etwa die Hälfte dieser Gruppen sind wiederum Teil größerer Cluster. Die sehr großen Helligkeitsschwankungen einiger Kepler-Sterne können sich damit erklären lassen, dass diese Sterne eine ausgeprägte Tendenz zur Clusterbildung haben (siehe Abb. 2). Ob dies tatsächlich der Fall bei den Kepler-Sternen mit hoher Variabilität ist und ob die Variabilität der Sonne ansteigen kann, bleibt ein aktuelles Forschungsthema.

Literaturhinweise

1.
Solanki, S. K.; Krivova, N. A.; Haigh, J. D.
Solar Irradiance Variability and Climate
Annual Review of Astronomy and Astrophysics 51:1, 311-351 (2013)
DOI: 10.1146/annurev-astro-082812-141007
2.
Reinhold, T.; Shapiro, A. I.; Solanki, S. K.; Montet, B. T.; Krivova, N. A.; Cameron, R. H.; Amazo-Gómez, E. M.
The Sun is less active than other solar-like stars
Science 368, 6490, 518-521 (2020)
DOI: 10.1126/science.aay3821
3.
Witzke, V.;  Shapiro, A. I.; Solanki, S. K.; Krivova, N. A.; Schmutz, W.
From solar to stellar brightness variations: The effect of metallicity
Astronomy & Astrophysics 619, A146 (2018)
DOI: 10.1051/0004-6361/201833936
4.
Isik, E.; Shapiro, A. I.; Solanki, S. K.; Krivova, N. A.
 Amplification of Brightness Variability by Active-region Nesting in Solar-like Stars
Astrophysical Journal Letters 901, 1, L12 (2020)
DOI: 10.3847/2041-8213/abb409
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