Forscher der Uni Bonn entdecken kosmischen Booster

Der Sternhaufen NGC3603 ist rund 20.000 Lichtjahre entfernt. Er hat wahrscheinlich bereits etwa acht seiner schweren Sterne in die Milchstraße geschossen. © Abbildung: NASA, ESA, R. O'Connell, F. Paresce, E. Young, the WFC3 Science Oversight Committee, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Manche Sterne erreichen das zehnfache Gewicht unserer Sonne, einige sogar das 200-fache. Sie können so hell strahlen, wie eine Million Sonnen. Nach nur ein paar Millionen Jahren explodieren sie als Supernovae und hinterlassen Neutronensterne oder schwarze Löcher.

„Die räumliche Verteilung dieser hellsten kurzlebigen Sterne in Galaxien ist von großer Wichtigkeit für die Astrophysik, weil die hellsten Sterne die Entwicklung von Galaxien bedeutend bestimmen“, sagt Prof. Dr. Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen und Kernphysik (HISKP) der Universität Bonn.

Unter Astronomen ist umstritten, wie diese außerordentlich hellen Sonnen entstehen. Da man eine bedeutende Anzahl dieser Sterne fern von jedem bekannten jungen Sternhaufen findet, vertreten einige die These, dass solche Sterne sich durch Zufall alleine dort gebildet haben.

Andere sind dagegen der Auffassung, dass die Schwergewichte sich nur in dichten, sehr jungen, von Gas eingebetteten Sternhaufen bilden. „Wie erklärt man dann aber die großräumige Verteilung der schweren Sterne innerhalb unserer Galaxie?“, fragt Prof. Kroupa.

Der Wissenschaftler hat mit seinen Mitarbeitern Seungkyung Oh und Dr. Jan Pflamm-Altenburg erstmals eine umfassende Studie veröffentlicht, die diese Frage detailliert beantwortet. Dazu haben sie Computermodelle von ganzen Populationen von Sternhaufen – wie man sie in der Milchstraße findet – insgesamt drei Jahre lang errechnet. Die Ergebnisse sind auch repräsentativ für ähnliche Galaxien.

Sterne verhalten sich wie Tanzpartner beim Wiener Walzer

Das Forscherteam konnte zeigen, wie sich die Verteilung der schweren Sterne ergibt: Sie schleudern sich gegenseitig aus den Haufen heraus. „Die sehr jungen Sternhaufen wirken wie Beschleuniger, wie eine Art kosmischer Booster“, sagt Prof. Kroupa. In den sehr dichten Zentren der Haufen begegnen sich die umherschwirrenden Sternenschwergewichte häufig und tauschen dabei erhebliche Mengen an Bewegungs- und Gravitationsbindungsenergie aus.

Die meisten dieser schweren Sterne sind nicht als Einzelgänger unterwegs, sondern kreisen mit einem Sternenpartner wie bei einem Wiener Walzer sehr nah umeinander herum. „All diese Tanzpaare sind durch die Gravitation aneinander gebunden und besitzen enorme Bindungsenergien“, erläutert der Astrophysiker der Universität Bonn. Wenn sich solche Paare begegnen, brechen einige umeinander kreiselnde Partner auseinander, andere schmiegen sich aber noch enger aneinander – oder die Sterne verschmelzen sogar. In solchen Fällen nimmt die potentielle Energie zwischen den Partner noch mehr zu, die sich dann auch auf ein anderes Sternensystem oder einen Einzelstern übertragen kann.

Manche Sterne werden auf 1.100.000 Stundenkilometer beschleunigt

Wie bei einem Billardspiel überträgt sich der Impuls der Kugeln aufeinander: Wenn viele Kugeln zusammenprallen, wird häufig eine mit hoher Geschwindigkeit aus der Ansammlung herausgeschossen. „Genauso fliegen wegen der Impulserhaltung alle involvierten Sterne aus dem Haufen – zum Teil mit großen Geschwindigkeiten“, fasst Doktorandin Seungkyung Oh das Ergebnis zusammen. So können Schwergewichtsterne mit mehr als einer Million Stundenkilometer durch die Milchstraße rasen. Die meisten Sterne wandern dagegen nur mit rund 70.000 Stundenkilometer, bezogen auf die anderen Sterne.

„Diese von Doktorandin Oh erstellte Studie umfasst die weitaus größte Bibliothek von realistischen Sternhaufenmodellen, die jemals berechnet wurden“, sagt Prof. Kroupa. Anhand von 2.200 akribisch kalkulierten Sternhaufen und ungefähr 23.000 Stunden Rechenzeit konnte das Forscherteam genaue Aussagen dazu machen, wie viele Sterne aus welcher Art von Haufen wann und mit welchen Geschwindigkeiten herausgeschleudert werden. „Die Detailliertheit der berechneten Daten übertrifft alles, was Wissenschaftlern in dieser Art bisher zugänglich war“, betont Dr. Jan Pflamm-Altenburg.

Als besonders interessantes Ergebnis zeigt sich eine bisher unbekannte besonders starke Reaktion: Sternhaufen, wie der sehr junge Trapezhaufen im Schwert des Orions, schießen besonders viele ihrer schwersten Sterne heraus; in einigen Fällen sogar alle. Das Forscherteam der Universität Bonn sieht die Ergebnisse als Bestätigung, dass schwere Sterne nicht zufällig irgendwo in einer Galaxie entstehen können, obwohl man sie dort findet. „Diese Resultate sind für das Verständnis der Entwicklung der Galaxien von großer Bedeutung“, sagt Prof. Kroupa.

Publikation: Oh, Kroupa, Pflamm-Altenburg: Dependency of dynamical ejections of O Stars on the masses of very young star clusters, The Astrophysical Journal

Kontakt für die Medien:

Prof. Dr. Pavel Kroupa
Helmholtz-Institut für Strahlen und Kernphysik (HISKP)
Stellar Populations and Dynamics Research (SPODYR) group
Universität Bonn
Tel. 0228/736140, 733655, 732366
E-Mail: pavel@astro.uni-bonn.de

http://arxiv.org/abs/1503.08827 Publikation im Internet

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