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Rekordstern weit größer als gedacht: Stern mit 300 Sonnenmassen entdeckt

21.07.2010
Mithilfe von Beobachtungen mit mehreren Instrumenten am Very Large Telescope der ESO haben Astronomen die bislang massereichsten Sterne entdeckt.

Einer dieser Sterne muß bei seiner Entstehung mehr als die 300-fache Masse der Sonne gehabt haben. Das entspricht dem Doppelten des bisher angenommenen Maximalwerts von 150 Sonnenmassen, oberhalb dessen Sterne eigentlich instabil sein sollten. Solche Derart massereiche Sternenmonster sind millionenfach heller als die Sonne und verlieren einen Großteil ihrer Masse, indem sie intensive Teilchenwinde in den Kosmos blasen. Ihre Existenz birgt möglicherweise eine Antwort auf die Frage, wie massereich Sterne überhaupt werden können.

Ein Team von Astronomen um Paul Crowther, Professor für Astrophysik an der Universität Sheffield, hat mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO zwei junge Sternhaufen namens NGC 3603 und RMC 136a genauestens untersucht und diese Beobachtungen durch Archivdaten des NASA/ESA-Weltraumteleskops Hubble ergänzt.

NGC 3603 ist eine Art von kosmischer Fabrik, in deren ausgedehnten Wolken aus Gas und Staub pausenlos neue Sterne entstehen (eso1005). Das Sternentstehungsgebiet liegt etwa 22.000 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild “Kiel des Schiffs”. RMC 136a (oft abgekürzt als R136) ist ebenfalls ein Sternhaufen aus jungen massereichen und heißen Sternen. Er befindet sich innerhalb des Tarantelnebels in der Großen Magellanschen Wolke, einer Galaxie, die mit einer Entfernung von 165.000 Lichtjahren zu unserer näheren kosmischen Nachbarschaft zählt (eso0613).

Die Astronomen stießen bei ihren Beobachtungen auf mehrere Sterne, deren Oberflächentemperatur 40.000°C übersteigt und die damit mehr als sieben mal so heiß sind wie unsere Sonne. Diese Sterne sind außerdem mehrere Dutzend mal größer und millionenfach heller als die Sonne. Ordnet man diese Sterne in Modellreihen zur Sternentwicklung ein, stellt sich heraus, dass sie bei ihrer Entstehung eine Masse gehabt haben müssen, die die theoretische Obergrenze von 150 Sonnenmassen überschreitet. Der Stern R136a1, der sich im R136-Haufen befindet, ist dabei der massereichste bisher bekannte Stern überhaupt. Zur Zeit hat er etwa die 265-fache Masse der Sonne, bei seiner Entstehung dürften es bis zu 320 Sonnenmassen gewesen sein.

In NGC 3603 konnten die Astronomen die Massen von zwei Sternen in einem Doppelsternsystem aus ihrer Umlaufbewegung direkt bestimmen [1] und so die Modelle überprüfen, mit denen sie die Massen der anderen Sterne abgeschätzt hatten. Darüber hinaus hatte NGC 3603 durchaus seine eigenen Schwergewichte zu bieten: Die Astronomen fanden dort die Sterne A1, B und C, deren Massen bei ihrer Entstehung ebenfalls oberhalb oder nahe bei der Grenze von 150 Sonnenmassen lagen.

Sehr massereiche Sterne erzeugen extrem starke Sternwinde, die Materie von der Oberfläche des Sterns nach außen treiben. “Im Gegensatz zu Menschen werden solche Sterne als Schwergewichte geboren. Anstatt zu wachsen, nehmen sie ab, während sie älter werden” erklärt Paul Crowther. “R136a1, der 'beleibteste' von ihnen, ist gerade mal etwas über eine Million Jahre alt. Das ist bei einem Stern seiner Masse ein mittleres Alter. Es ist als wäre er auf einer strengen Diät, bei der er schon ein Fünftel seiner ursprünglichen Masse eingebüßt hat; in seinem Fall sind das mehr als 50 Sonnenmassen!”

Würde sich R136a1 anstelle der Sonne im Zentrum unseres Sonnensystems befinden, wäre er um denselben Faktor heller als die Sonne wie die Sonne heller als der Vollmond ist. “Durch seine gewaltige Schwerkraft würde sich das Jahr – also die Umlaufzeit der Erde – auf drei Wochen verkürzen. Außerdem würde er die Erde mit unglaublich starker UV-Strahlung beleuchten, was das Leben auf der Erde unmöglich machen würde” ergänzt Raphael Hirschi von der Universität Keele, ein Mitglied des Astronomenteams.

So massereiche Sterne wie R136a1 sind extrem selten. Sie bilden sich nur in den allerdichtesten Sternhaufen. Mit den hier vorgestellten Beobachtungen ist es erstmals geglückt, in den Zentren solcher Sternhaufen die einzelnen Sterne zu unterscheiden und getrennt voneinander zu beobachten. Dazu waren freilich Instrumente mit besonders guten Abbildungseigenschaften nötig, nämlich die Intrarotinstrumente am VLT [2].

Das Astronomenteam hat außerdem die größtmögliche Masse und die Häufigkeit der massereichsten Sterne in den beiden Sternhaufen abgeschätzt. “Sterne müssen mindestens die 80-fache Masse des Jupiters haben. Ansonsten gelingt es ihnen nicht, in ihrem Inneren die Fusion von Wasserstoff zu Helium zu starten, die Sternen als Energiequelle dient – scheitern sie an dieser Hürde, haben wir es mit so genannten Braunen Zwergen zu tun”, erläutert Teammitglied Olivier Schnurr vom Astrophysikalischen Institut in Potsdam. “Unsere Ergebnisse bestätigen die gängige Ansicht, dass es eine Obergrenze für die Masse von Sternen gibt. Allerdings hat sich der Zahlenwert für diese Obergrenze um einen Faktor zwei auf etwa 300 Sonnenmassen nach oben verschoben.”

In R136 gibt es nur vier Sterne, die es bei ihrer Entstehung auf mehr als 150 Sonnenmassen gebracht haben. Doch diese vier Sterne sind für fast die Hälfte der abströmenden Sternwinde und der abgestrahlten Energie des gesamten Sternhaufens verantwortlich, der insgesamt aus etwa 100.000 Sternen besteht. Allein R136a1 regt seine Umgebung mehr als 50 mal so stark zum Leuchten an wie der junge Sternhaufen im Orionnebel, von der Erde aus gesehen das nächste Sternentstehungsgebiet, in dem sich massereiche Sterne bilden.

Aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer und der starken Sternwinde ist es nicht einfach, nachzuvollziehen, wie sich massereiche Sterne überhaupt bilden. Extremfälle wie R136a1 machen es den Theoretikern noch schwerer: “Entweder sie sind tatsächlich in dieser Größe entstanden, oder aber sie haben sich aus mehreren kleinen Sternen gebildet”, erklärt Crowther.

Sterne mit dem 8 bis 150-fachen der Masse der Sonne beenden ihr vergleichsweise kurzes Leben mit einer Supernovaexplosion. Übrig bleiben dabei nur Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Nachdem nun gezeigt ist, dass es auch Sterne mit 150 bis 300 Sonnenmassen gibt, steigen die Chancen, dass auch so genannte Paarinstabilitäts-Supernovae auftreten können, die extrem hell sind und bei deren Explosion gar kein Restkörper zurückbleibt. Solche Supernovae würden bis zu zehn Sonnenmassen an Eisen an die Umgebung abgeben. Einige Beobachtungen der letzten Jahre sind Kandidaten für diese Art von Supernovaexplosion.

R136a1 ist nicht nur der massereichste Stern, den die Astronomen kennen, sondern auch derjenige mit der größten Leuchtkraft. Sie beträgt fast das zehnmillionenfache der Leuchtkraft der Sonne. “Bedenkt man wie selten solche Sternmonster sind, glaube ich nicht, dass dieser Rekord so schnell gebrochen wird”, schließt Crowther.

Endnoten
[1] Der Stern A1 in der Sternentstehungsregion NGC 3603 ist ein Doppelsternsystem mit einer Umlaufszeit von 3,77 Tagen. Die beiden Sterne haben zur Zeit jeweils die 120fache und die 92fache Masse der Sonne. Zum Zeitpunkt ihrer Entstehung betrugen ihre Massen das 148fache und das 106fache der Masse der Sonne.

[2] Das Astronomenteam verwendete die Instrumente SINFONI, ISAAC und MAD, die sich alle am Very Large Telescope der ESO auf dem Berg Paranal in Chile befinden.

Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse erscheinen unter dem Titel “The R136 star cluster hosts several stars whose individual masses greatly exceed the accepted 150 Msun stellar mass limit” in einem Artikel von P. Crowther et al. in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Die beteiligten Wissenschaftler sind Paul A. Crowther, Richard J. Parker und Simon P. Goodwin (University of Sheffield, Großbritannien), Olivier Schnurr (University of Sheffield und Astrophysikalisches Institut Potsdam), Raphael Hirschi (Keele University, Großbritannien) sowie Norhasliza Yusof und Hasan Abu Kassim (University of Malaya, Malaysia).

Mit dem Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared (kurz SINFONI, wörtlich etwa "Räumlich aufgelöst arbeitender Spektrograf für das nahe Infrarot") werden spektroskopische Untersuchungen ausgedehnter Objekte im Nahinfrarotbereich durchgeführt. SINFONI besteht aus einem von der ESO entwickelten Modul für Adaptive Optik zum Ausgleich atmosphärischer Verzerrungen und dem Spektrografen SPIFFI (SPectrometer for Infrared Faint

Field Imaging). SPIFFI wurde von der NOVA-Kollaboration niederländischer Universitäten und dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching konzipiert und gebaut.

Die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 14 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts, sowie VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt. Die ESO ist der europäische Partner für den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das größte astronomische Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO das European Extremely Large Telescope (E-ELT) für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, mit 42 Metern Spiegeldurchmesser ein Großteleskop der Extraklasse.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsstaaten (und einigen weiteren Ländern) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

Kontaktinformationen

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E-Mail: eson(at)mpia.de
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University of Sheffield, Großbritannien
Tel.: +44 114 222 4291
Handy: +44 7946 638 474
E-Mail: Paul.Crowther(at)sheffield.ac.uk
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Tel: (0331) 7499 353
E-Mail: oschnurr(at)aip.de
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Weitere Informationen:
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http://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1030/eso1030.pdf
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