Die turbulente Kindheit der Kugelsternhaufen

11. April 2013

Die massereichen Sternhaufen, die unsere und andere Galaxien begleiten, haben eine komplexere Entwicklung hinter sich als bisher angenommen. Neuere Beobachtungen ergaben Hinweise auf mehrere Sterngenerationen, die nun von einem Forscherteam des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, der Sternwarte der Universität Genf und der französischen Wissenschaftsorganisation CNRS erklärt werden können. Demnach wären unter den Sternen der ersten Generation in den Kugelsternhaufen sehr viel massereichere gewesen als die heute noch sichtbaren Sterne. Diese würden durch ihre schnelle Entwicklung bis hin zu heftigen Supernovaausbrüchen die Entwicklung der nachfolgenden Sterngenerationen erheblich beeinflussen.

Kugelsternhaufen sind wahre Himmelsjuwelen, die aus Hunderttausenden von Sternen bestehen. Sie zählen zu den ältesten Objekten des Universums und entstanden vermutlich gemeinsam mit den Galaxien zu denen sie gehören. Man beobachtet sie in allen Arten von Galaxien; die Milchstraße beherbergt fast zweihundert Stück, die Andromedagalaxie etwa 500 und 15.000 werden in der massereichen elliptischen Galaxie M87, der zentralen Galaxie des Virgo-Galaxienhaufens, gezählt.

Neuere Beobachtungen mit den 8m-Teleskopen (VLT) der europäische Südsternwarte (ESO) und mit dem Weltraumteleskop Hubble ergaben eindeutige Hinweise auf das Vorhandensein mehrerer Sterngenerationen in jedem einzelnen der untersuchten Kugelsternhaufen. Dabei zeigte sich auch  jeweils eine sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzung, insbesondere eine starke Anomalie der Elementhäufigkeiten von Natrium und Sauerstoff. Bisher gingen die Wissenschaftler von einer einzigen Sterngeneration mit homogener chemischer Zusammensetzung aus. Deshalb erschütterte die Entdeckung unterschiedlicher Sterngenerationen eines der ältesten Paradigmen der Astrophysik und blieb lange rätselhaft. Nun hat eine Kollaboration aus Wissenschaftlern des MPE, der Sternwarte der Universität Genf und der französischen Wissenschaftsorganisation CNRS eine Erklärung vorgeschlagen.

Die Forschergruppe entwickelte ein innovatives Szenario, das zeigt, welche Effekte eine erste Generation massereicher Sterne in ihrer Umgebung kurz nach der Entstehung des Kugelsternhaufens auslösen können. Diese Sterne wären in  den zentralen Regionen des Haufens entstanden und bereits vor langer Zeit verschwunden. Aufgrund ihrer großen Massen würden diese  Sterne nahe der kritischen Zerreißgeschwindigkeit rotieren und einen Großteil der Verbrennungsprodukte des Wasserstoffs, welche sie in ihrem Inneren erzeugen, in ihre Umgebung abgeben. Diese Auswürfe würden sich in einer Scheibe um den massereichen Stern ansammeln, dort mit interstellarem Gas vermischen und Sterne der nachfolgenden Generation zur Welt bringen, mit den Massen und der chemischen Zusammensetzung wie man sie heute beobachtet. Dieser neue Sternentstehungsmodus in sehr dichten Umgebungen, wie er von dem Team vorgeschlagen wurde, erlaubt es zweifelsohne, Parallelen zur Planetenentstehung aus Staubscheiben um Sterne zu ziehen.

Abbildung 2: Diese Bildreihe zeigt die Entwicklung eines Kugelsternhaufens, in dem massereiche Sterne (grüne Sternchen, a) eine entscheidende Rolle spielen. Der gesamte Haufen hat etwa 30 Lichtjahre im Durchmesser. Im Laufe ihres Lebens erzeugen die massereichen Sterne zuerst heiße Blasen und Gasscheiben um sich herum. Die derzeit beobachteten Sterne (blaue und grüne Punkte) entstehen in diesen Gasscheiben, in denen sich die Auswürfe der massereichen Sterne mit dem interstellaren Medium vermischen (b, siehe auch Abb. 3). Die massereichen Sterne explodieren schließlich in einer Supernova, wodurch das Gas im Haufen vorübergehend turbulent wird (c), aber aufgrund der großen Schwerkraft des Haufens nicht entweichen kann. Übrig bleiben schließlich schwarze Löcher und Neutronensterne. Diese sammeln durch ihre Schwerkraft einen Teil des im Haufen noch vorhandenen Gases auf. Durch die damit verbundene Energiefreisetzung wird nun das übrig gebliebene Gas (grün) aus dem Kugelsternhaufen entfernt (d), wodurch schließlich auch sehr viele leichtere Sterne verloren gehen. Bild vergrößern
Abbildung 2: Diese Bildreihe zeigt die Entwicklung eines Kugelsternhaufens, in dem massereiche Sterne (grüne Sternchen, a) eine entscheidende Rolle spielen. Der gesamte Haufen hat etwa 30 Lichtjahre im Durchmesser. Im Laufe ihres Lebens erzeugen die massereichen Sterne zuerst heiße Blasen und Gasscheiben um sich herum. Die derzeit beobachteten Sterne (blaue und grüne Punkte) entstehen in diesen Gasscheiben, in denen sich die Auswürfe der massereichen Sterne mit dem interstellaren Medium vermischen (b, siehe auch Abb. 3). Die massereichen Sterne explodieren schließlich in einer Supernova, wodurch das Gas im Haufen vorübergehend turbulent wird (c), aber aufgrund der großen Schwerkraft des Haufens nicht entweichen kann. Übrig bleiben schließlich schwarze Löcher und Neutronensterne. Diese sammeln durch ihre Schwerkraft einen Teil des im Haufen noch vorhandenen Gases auf. Durch die damit verbundene Energiefreisetzung wird nun das übrig gebliebene Gas (grün) aus dem Kugelsternhaufen entfernt (d), wodurch schließlich auch sehr viele leichtere Sterne verloren gehen. [weniger]

Das Szenario impliziert, dass die anfängliche Masse der Kugelsternhaufen etwa 20 bis 30-mal größer als die heutige Masse war. Das ergibt für die massereichsten Kugelsternhaufen, wie etwa NGC 2808 (Bild), einige Millionen Sonnenmassen.

 

"Die meisten leichten Sterne der ersten Generation verschwinden etwa 40 Millionen Jahre nach ihrer Entstehung in den galaktischen Halo", erklärt Martin Krause vom MPE. "Dies passiert, wenn die massiven Sterne der ersten Generation am Ende ihres Lebens zu Neutronensternen und Schwarzen Löchern werden und dabei riesige Mengen an Energie freisetzen. Dadurch wird dann das übriggebliebende Gas ausgeworfen, und die leichten Sterne können aufgrund der geringeren Schwerkraft entweichen."

 

Diese Sterne könnten einen Großteil der Sterne im Halo der Milchstraße ausmachen, und sollten zweifelsohne mit der Raumfahrtmission GAIA der europäischen Weltraumbehörde ESA, die Ende 2013 starten und die Milchstraße kartographieren soll, gefunden werden.

<p>Schematische Darstellung, wie sich die Sterne der zweiten Generation in einer Scheibe bilden. Massereiche Sterne reichern das sie umgebende interstellare Gas mit schwereren Elementen an, die in ihrem Innern durch Wasserstoffbrennen erzeugt wurden. In den Akkretionscheiben um die schweren Sterne entsteht eine neue Sterngeneration ähnlich wie Planeten in Staubscheiben um Sterne entstehen.</p> Bild vergrößern

Schematische Darstellung, wie sich die Sterne der zweiten Generation in einer Scheibe bilden. Massereiche Sterne reichern das sie umgebende interstellare Gas mit schwereren Elementen an, die in ihrem Innern durch Wasserstoffbrennen erzeugt wurden. In den Akkretionscheiben um die schweren Sterne entsteht eine neue Sterngeneration ähnlich wie Planeten in Staubscheiben um Sterne entstehen.

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Die MPE-Wissenschaftler und ihre Kollegen möchten nun einige Schlüsselhypothesen ihres Szenarios für die chemische und dynamische Entwicklung der massereichen Sternhaufen testen. Durch mehrdimensionale hydrodynamische Computersimulationen werden sie insbesondere die Auswürfe massereicher Sterne modellieren und wie diese mit der interstellaren Materie in extremen Umgebungen wechselwirkt. Somit wollen sie auch die dadurch induzierte Sternentstehung besser verstehen – eine der interessantesten Fragen der modernen Astrophysik. Nicht zuletzt sollten diese  Arbeiten auch eine Neubestimmung des Alters der Kugelsternhaufen erlauben, das eine unabhängige Untergrenze für das Alter des Universums darstellt.