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Weißer Zwerg heizt rotem Zwergstern mit mysteriöser Strahlung mächtig ein

28.07.2016

Astronomen haben mit dem Very Large Telescope der ESO und weiteren bodengebundenen sowie weltraumbasierten Teleskopen einen neuen Typ exotischer Doppelsternsysteme entdeckt. Im Sternsystem AR Scorpii beschleunigt ein sich schnell um seine eigene Achse drehender Weißer Zwerg Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Diese hochenergetischen Teilchen erzeugen Strahlungsschübe, die auf den ihn begleitenden roten Zwergstern einprasseln und das gesamte System alle 1,97 Minuten mit Strahlung vom Ultravioletten bis zum Radiobereich pulsieren lassen. Die dazugehörige Studie erscheint am 28. Juli 2016 in der Zeitschrift Nature.

Im Mai 2015 wurde eine Gruppe von Amateurastronomen aus Deutschland, Belgien und Großbritannien auf ein Sternsystem aufmerksam, das ein Verhalten zeigte, das man so noch nie zuvor beobachtet hatte. Nachfolgebeobachtungen unter der Führung der University of Warwick mit einer Reihe von bodengebundenen und weltraumbasierten Teleskopen [1] haben nun die wahre Natur dieses zuvor fehlidentifizierten Systems enthüllt.


Diese künstlerische Darstellung zeigt das seltsame Objekt AR Scorpii. In diesem einzigartigen Dpoppelstensystem beschleunigt ein sich schnell um seine eigene Achse drehender Weißer Zwerg (rechts) Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Diese hochenergetischen Teilchen erzeugen Strahlungsschübe, die auf den ihn begleitenden roten Zwergstern (links) einprasseln und das gesamte System alle 1,97 Minuten mit Strahlung vom Ultravioletten bis zum Radiobereich pulsieren lassen.

Herkunftsnachweis: M. Garlick/University of Warwick/ESO

Das Sternsystem AR Scorpii (kurz AR Sco), befindet sich in einer Entfernung von 380 Lichtjahren von der Erde im Sternbild Scorpius. Es besteht aus einem sich schnell um seine eigene Achse drehenden Weißen Zwerg [2], der bei einer Größe, die in etwa der Erde entspricht, das 200.000-fache ihrer Masse in sich vereint, sowie einem kühlen roten Zwergstern als Begleiter, der ein Drittel der Sonnenmasse hat [3]. Die beiden umkreisen sich alle 3,6 Stunden in einem kosmischen Tanz, so regelmäßig wie ein Uhrwerk.

In diesem Doppelsternsystem geht es allerdings sehr rauh zu, und das auf recht ungewöhnliche Art und Weise. Der Weiße Zwerg in AR Sco ist rotiert nicht nur sehr schnell sondern ist auch noch stark magnetisch. Deshalb beschleunigt er Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit.

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Bei ihrer Ausbreitung durch den Raum senden diese hochenergetischen Teilchen gerichtete Strahlung aus, die dann wie der Scheinwerfer eines Leuchtturms die Oberfläche des roten Zwergsterns überstreicht und das gesamte System alle 1,97 Minuten sich aufhellen und wieder verdunkeln lässt. Diese energiereichen Pulse enthalten auch Radiostrahlung, die noch nie zuvor in einem System mit einem Weißen Zwerg beobachtet werden konnten.

Erstautor Tom Marsh von der Arbeitsgruppe für Astrophysik der University of Warwick erzählt: “AR Scorpii wurde zwar schon vor über 40 Jahren entdeckt, aber seine wahre Natur war unbekannt, bis wir 2015 begonnen haben, ihn zu beobachten. Schon wenige Minuten nach Beginn unserer Messungen wussten wir: Da passiert etwas Außergewöhnliches.

Die ermittelten Eigenschaften von AR Sco sind einzigartig und gleichzeitig mysteriös. Strahlung über einen weiten Frequenzbereich deutet auf Elektronen hin, die in Magnetfeldern beschleunigt werden, was mithilfe der Rotation des des Weißen Zwergs in AR Sco erklärt werden kann. Der Ursprung der Elektronen allerdings bleibt ein großes Rätsel – es ist nach wie vor unklar, ob sie zu dem Weißen Zwerg oder seinem kühleren Begleiter gehören.

AR Scorpii wurde erstmals Anfang der 1970er Jahre näher untersucht. Wegen seiner regelmäßigen Helligkeitsänderungen im Rhythmus von 3,6 Stunden hat man ihn als einzelnen Veränderlichen Stern klassifiziert – fälschlicherweise [4]. Die tatsächliche Ursache der Helligkeitsänderungen von AR Scorpii wurde erst durch die Zusammenarbeit von Amateur- und Profiastronomen möglich. Ähnliches, pulsierendes Verhalten kennt man zwar schon länger, allerdings nur von Neutronensternen – mit die dichtesten Himmelsobjekte, die es im Universum gibt – und nicht von Weißen Zwergen.

Boris Gänsicke, Koautor der Studie und ebenfalls an der University of Warwick tätig, schließt: "Pulsierende Neutronensterne kennen wir seit fast 50 Jahren. Es gibt Theorien, die vorhergesagt haben, das auch Weiße Zwerge ein solches Verhalten zeigen könnten. Dass wir jetzt genau so ein System entdeckt haben, ist höchst spannend und außerdem ein Paradebeispiel wie Amateurastronomen und Wissenschaftler zusammenarbeiten können."

Endnoten

[1] Die Beobachtungen, auf denen diese Studie basiert, wurden mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO auf dem Cerro Paranal in Chile, den William Herschel und Isaac Newton Telescopes der Isaac Newton Group of telescopes auf der Kanareninsel La Palma in Spanien, dem Australia Telescope Compact Array am Paul Wild Observatory im australischen Narrabri, dem NASA/ESA Hubble Space Telescope und dem Swift-Satelliten der NASA durchgeführt.

[2] Weiße Zwerge entstehen am Ende des Lebens von Sternen mit bis zu acht Sonnenmassen zu Beginn ihres Lebens. Nachdem ihnen der Brennstoff für die Wasserstoffusion in ihrem Zentralbereich ausgegangen ist, ändert sich ihre innere Struktur und sie dehnen sich zu einem viel größeren Roten Riesen aus. Darauf folgt dann erneut ein Zusammenziehen des Kerns, bei dem die äußere Hülle allerdings in Form von großen Wolken aus Gas und Staub abgestoßen wird. Übrig bleibt der Weiße Zwerg von etwa Erdgröße, alleridngs mit der 200.000-fachen Dichte. Ein Teelöffel Materie eines Weißen Zwergs bringt dasselbe Gewicht auf die Waage wie ein Elefant hier auf der Erde.

[3] Der rote Zwergstern hat den Spektraltyp M. M-Sterne sind die am häufigsten vorkommenden Sterne nach der Harvard-Klassifikation, die Sterne nach ihren spektralen Eigenschaften Großbuchstaben zuordnet. Die bekannte Spektralsequenz mit der Reihenfolge OBAFGKM kann man mit dem Merksatz "Oh Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me" verinnerlichen.

[4] Ein Veränderlicher ist ein Stern, dessen Helligkeit sich von der Erde aus beobachtet verändert. Die Helligkeitsvariationen können verschiedene Ursachen haben, unter anderem können sich intrinsische Eigenschaften des Sterns ändern. Einige Sterne expandieren und kontrahieren beispielsweise. Es kann alleridngs auch vorkommen, dass beispielsweise ein anderes Objekt regelmäßig den Stern bedeckt. AR Scorpii hat man fälschlicherweise für einen veränderlichen Stern gehalten, da auch der Umlauf zweier Sterne umeinander zu regelmäßigen Fluktuationen in der Helligkeit führt.

Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Ergebnisse von T. Marsh et al. erscheinen am 28. Juli 2016 unter dem Titel “A radio pulsing white dwarf binary star”in der Fachzeitschrift Nature.

Die beteiligten Wissenschaftler sind T.R. Marsh (University of Warwick), B.T. Gänsicke (University of Warwick),  S. Hümmerich (Bundesdeutsche Arbeitsgemeinschaft für Veränderliche Sterne e.V.; American Association of Variable Star Observers (AAVSO), USA) , F.-J. Hambsch (Bundesdeutsche Arbeitsgemeinschaft für Veränderliche Sterne e.V.; American Association of Variable Star Observers (AAVSO), USA; Vereniging Voor Sterrenkunde (VVS), Belgien), K. Bernhard (Bundesdeutsche Arbeitsgemeinschaft für Veränderliche Sterne e.V.; American Association of Variable Star Observers (AAVSO),USA), C.Lloyd (University of Sussex, Großbritannien), E. Breedt (University of Warwick), E.R. Stanway (University of Warwick), D.T. Steeghs (University of Warwick), S.G. Parsons (Universidad de Valparaiso, Chile), O. Toloza (University of Warwick), M.R. Schreiber (Universidad de Valparaiso, Chile), P.G. Jonker (Netherlands Institute for Space Research, Niederlande; Radboud University Nijmegen, Niederlande), J. van Roestel (Radboud University Nijmegen, Niederlande), T. Kupfer (California Institute of Technology, USA), A.F. Pala (University of Warwick) , V.S. Dhillon (University of Sheffield, Großbritannien; Instituto de Astrofisica de Canarias, Spain; Universidad de La Laguna, Spain), L.K. Hardy (University of Warwick; University of Sheffield, Großbritannien), S.P. Littlefair (University of Sheffield, Großbritannien), A. Aungwerojwit (Naresuan University, Thailand),  S. Arjyotha (Chiang Rai Rajabhat University, Thailand), D. Koester (University of Kiel, Germany),  J.J. Bochinski (The Open University, Großbritannien), C.A. Haswell (The Open University, Großbritannien), P. Frank (Bundesdeutsche Arbeitsgemeinschaft für Veränderliche Sterne e.V., Germany) und P.J. Wheatley (University of Warwick).

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch 16 Länder: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. 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 verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist einer der Hauptpartner bei ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das European Extremely Large Telescope (E-ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

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-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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Carolin Liefke
ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie
Heidelberg, Deutschland
Tel: 06221 528 226
E-Mail: eson-germany@eso.org

Tom Marsh
Department of Physics, University of Warwick
Coventry, United Kingdom
Tel: +44 24765 74739
E-Mail: t.r.marsh@warwick.ac.uk

Boris Gänsicke
Department of Physics, University of Warwick
Coventry, United Kingdom
Tel: +44 24765 74741
E-Mail: Boris.Gaensicke@warwick.ac.uk

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
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Dies ist eine Übersetzung der ESO-Pressemitteilung eso1627.

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