Nebel um massereiche Sterne flackern: 30 Jahre altes Rätsel gelöst

Die Gasnebel um massereiche Sterne stellten die Forschung während Jahrzehnten vor Rätsel. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des Astronomen Chris De Pree konnte jetzt mit Hilfe von Computersimulationen und astronomischen Beobachtungen nachweisen, wie massereiche Sterne auch nach Entstehung der Nebel umliegendes Material anziehen. Dadurch dehnen sich die Nebel nicht kontinuierlich aus, was zu Veränderungen ihrer Helligkeit führt.

Flackernde Gasnebel: Die Beobachtungen wurden am Jansky Very Large Array in New Mexico, USA, gemacht.

Manche Sterne haben mehr als hundertmal so viel Masse als unsere Sonne. Mit ihrem Licht dominieren die als massereiche Sterne bezeichneten Gebilde ganze Galaxien. Ihre Existenz allerdings währt nur kurze Zeit - einige Millionen Jahre im Vergleich zu den Milliarden Jahren, welche die sonstigen Sterne existieren. Am Ende ihres Daseins explodieren massereiche Sterne in einer Supernova und schleudern schwere Elemente wie z.B. Sauerstoff, Eisen, Zink, Kalzium und Gold ins All. Ohne sie sähe Leben auf unserem Planeten ganz anders aus.

Zu kleine Gasregionen
Doch viele Fragen rund um massereiche Sterne sind offen. Bekannt ist u.a., dass diese Sterne extrem heiss sind, was dazu führt, dass sie umgebendes Gas ionisieren und auf 10‘000 Grad aufheizen. Dabei bilden sich Nebel aus ionisiertem Wasserstoff, die als ultrakompakte H-II-Gebiete bezeichnet werden und sich explosionsartig ausdehnen. Und genau damit stellten sie die Forschung während mehr als dreissig Jahren vor ein Rätsel: Reale H-II-Gebiete sind stets kleiner, als dies die theoretischen Modelle voraussagten. Dieser Widerspruch konnte bisher nicht aufgelöst werden. Jetzt ist es einem internationalen Forschungsteam unter Leitung von Chris De Pree, Astronomieprofessor und Direktor des Bradley Observatoriums am Agnes Scott College, gelungen, eine kürzlich vorgeschlagenene Theorie mit astronomischen Beobachtungen zu bestätigen. An der in der Zeitschrift The Astrophysical Journal (Letters) publizierten Studie waren Theoretiker und Astronomen vom Agnes Scott College, der Universität Zürich, dem American Museum of Natural History, dem Harvard Smithsonian Center for Astrophysics, dem National Radio Astronomy Observatory, dem European Southern Observatory und der Universität Heidelberg beteiligt.

Aufschlussreiche Beobachtungen von Sagittarius B2
De Pree und Kollegen unterzogen ein kürzlich von einer Gruppe um Thomas Peters vom Institut für  Computergestützte Wissenschaften der Universität Zürich präsentiertes theoretisches Modell, das während seiner Forschungstätigkeit an der Universität Heidelberg entwickelt wurde, einem Realitätstest. Peters' Modell sagt voraus, dass H-II-Gebiete ihre Helligkeit verändern und dadurch flackern. Das Modell liefert eine Erklärung dafür, weshalb H-II-Gebiete in der Frühphase ihrer Entstehung unerwartet klein bleiben: Massereiche Sterne ziehen dank ihrer enormen Gravitation umliegendes Material an, welches auf den Stern hinunterstürzt. Dabei kommt es zu Interaktionen zwischen der ionisierenden Strahlung und dem hinunterstürzenden Material, so dass H-II-Gebiete wiederholt verschwinden werden und sich deshalb langsamer ausdehnen, als ursprünglich erwartet.

Um Peters' Theorie zu testen, richteten die Forscher ihr Augenmerk auf eine als Sagittarius B2 bezeichnete Region. «Dieser Bereich weist über vierzig ultrakompakte H-II-Gebiete auf und ist daher ein guter Kandidat, um nach den postulierten relativen Helligkeitsveränderungen suchen zu können», erläutert De Pree das Vorgehen seiner Gruppe.

Dynamische Gasnebel
Der Vergleich von Messungen aus dem Jahr 1989 und neuen Messungen aus dem Jahr 2012 zeigt, dass es innerhalb von dreiundzwanzig Jahren tatsächlich in einigen Regionen genau wie vom Modell vorhergesagt zu Veränderungen der Helligkeit gekommen ist. Für Peters ist die Bestätigung seiner Theorie ein grosser Erfolg. «Es ist ausgesprochen selten, dass sich solch grosse Gebiete über so kurze Zeiträume verändern und wir dies auch noch beobachten können,» beschreibt er die Bedeutung der neuen Erkenntnisse. Die Gasnebel um massereiche Sterne sind somit äusserst dynamisch.

«Im alten theoretischen Modell bildet sich ein massereicher Stern, die H-II-Gebiete leuchten auf und beginnen sich auszudehnen – alles verläuft sauber und ordentlich,» fasst De Pree zusammen. Die neuen Resultate zeigen aber, dass während der Entstehung des Sterns weiteres Wachstum stattfindet und dass auch dann noch Material auf den Stern stürzt, wenn sich die H-II-Gebiete bereits gebildet haben. Gemäss De Pree ist der Langzeittrend bei den Gasrnebeln unverändert: H-II-Gebiete expandieren im Lauf der Zeit. Aber im Detail werden sie heller oder verblassen, um sich dann wieder zu erholen. Genaue Messungen über längere Zeitabschnitte können diesen Prozess nachweisen.

Lit.:
C. G. De Pree, T. Peters, M.-M. Mac Low, D. J. Wilner, W. M. Goss, R. Galván-Madrid, E. R. Keto, R. S. Klessen, and A. Monsrud
Flickering of 1.3 cm Sources in Sgr B2: Toward a Solution to the Ultracompact H II Region Lifetime Problem, The Astrophysical Journal Letters, vol. 781, L36, 2014, doi:10.1088/2041-8205/781/2/L36

Kontakt:
Dr. Thomas Peters
Universität Zürich
Institute for Computational Science
Winterthurerstr. 190
8057 Zürich
Tel. +41 44 635 40 29
Email: tpeters (at) physik.uzh.ch

Prof. Chris De Pree
Agnes Scott College
141 E. College Ave.
Decatur, GA 30030
USA
Tel.: +1 404 471 6266
Email: cdepree (at) agnesscott.edu

(Text: Dr. Calista Fischer, Kommunikationsverantwortliche MNF der UZH)