STERNE
Auch Rote Riesen können Flecken haben
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung
astronews.com
15. Juli 2020

Dunkle, zum Teil riesige Sternflecken an der Oberfläche sind unter roten Riesensternen verbreiteter als bisher angenommen. Dies ergab eine neue, jetzt veröffentlichte Studie, bei der rund 4500 Rote Riesen genauer unter die Lupe genommen wurden. Ein wichtiger Faktor dabei ist die Eigenrotation der Riesensterne.

Sonnenähnliche Sterne werden in der letzten Phase ihres stellaren Lebens zu einem Roten Riesen und enden, nach einer kurzen Zeit als Planetarischer Nebel, als Weißer Zwerg. Bild: ESO / S. Steinhöfel [Großansicht]

Zu den auffälligsten Eigenschaften der Sonne gehören die Sonnenflecken, dunkle Bereiche auf ihrer ansonsten hellen Oberfläche, die zum Teil sogar ohne Vergrößerung von der Erde aus sichtbar sind. Auch zahlreiche andere Sterne, die sich wie die Sonne in der Blütezeit ihres Lebens befinden, sind von Flecken überzogen. Bei Roten Riesen hingegen, die sich in einem fortgeschrittenen Stadium der Sternentwicklung befinden, galten sie bisher als Seltenheit.

Die Ursache für diesen Unterschied findet sich im Innern der Sterne. Aus dem Zusammenspiel von elektrisch leitenden Plasmaströmen und der Rotation des Sterns entstehen in einem Dynamoprozess die Magnetfelder des Sterns und setzen sich bis an seine Oberfläche fort. An manchen Stellen verhindern besonders starke Magnetfelder, dass heißes Plasma nach oben strömt. Diese Regionen erscheinen dunkel und werden als Sternflecken bezeichnet.

"Damit sich an der Oberfläche eines Sterns Magnetfelder und Sternflecken ausbilden, sind Rotation und Konvektion entscheidende Zutaten", erklärt Dr. Federico Spada vom Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS). "Sterne, bei denen sich die Konvektion in einer außenliegenden Schicht abspielt, haben das Potential, durch Dynamoprozesse Magnetfelder an der Oberfläche zu erzeugen. Diese magnetische Aktivität ist nur dann messbar, wenn der Stern schnell genug rotiert", fügt er hinzu.

Bisher hatten Forscherinnen und Forscher angenommen, dass fast alle Roten Riesen eher gemächlich um die eigene Achse rotieren. Schließlich dehnen sich Sterne, wenn sie sich gegen Ende ihres Lebens zu Roten Riesen entwickeln, dramatisch aus. Ihre Eigenrotation verlangsamt sich dadurch wie bei einem Pirouetten drehenden Eiskunstläufer, der die Arme ausstreckt. Die neue Studie unter Leitung des MPS und der New Mexiko State University in den USA zeigt nun ein anderes Bild. Etwa acht Prozent der beobachteten Roten Riesen drehen sich so schnell, dass Flecken entstehen können.

Das Forschungsteam durchforstete die Messdaten von etwa 4500 Roten Riesen, die das Weltraumteleskop Kepler von 2009 bis 2013 aufgenommen hat, nach Hinweisen auf Flecken. Solche Flecken mindern die Lichtmenge, die ein Stern ins All sendet. Da sie sich in der Regel über mehrere Monate nur leicht verändern, drehen sie sich nach und nach aus dem Blickfeld des Teleskops – und erscheinen dann nach einiger Zeit wieder. Dies erzeugt typische, regelmäßig wiederkehrende Helligkeitsschwankungen.

Im zweiten Schritt gingen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Frage nach, warum die fleckigen Riesen sich so schnell drehen. Woher nehmen sie die nötige Energie? "Um diese Frage zu beantworten, mussten wir ganz genau hinsehen, möglichst viele Eigenschaften der Sterne bestimmen und daraus ein Gesamtbild zusammensetzen", so MPS-Wissenschaftler Dr. Patrick Gaulme.

Am Apache Point Observatory in New Mexiko untersuchten die Forscherinnen und Forscher etwa, wie sich die Wellenlängen des Sternlichtes einiger Sterne mit der Zeit verändern. So sind Rückschlüsse auf ihre genaue Bewegung möglich. Zudem schaute das Team auf schnelle Helligkeitsschwankungen, die den langsameren, durch Sternflecken verursachten überlagert sind. Die schnelleren Schwankungen sind Ausdruck von Druckwellen, die sich durch das Innere eines Sterns bis zu seiner Oberfläche ausbreiten. Ihre Analyse erlaubt es, viele innere Eigenschaften des Sterns zu bestimmen wie etwa das Gewicht und das Alter.

Wie sich zeigte, gehören etwa 15 Prozent der fleckigen Riesen zu Doppelsternsystemen, die auch einen weiteren, kleineren und somit drehfreudigen Stern beherbergen. "In solchen Systemen gleichen sich die Rotationsgeschwindigkeiten beider Sterne mit der Zeit an, bis sie sich wie zwei Paarläufer beim Eiskunstlauf im Gleichtakt drehen", so Gaulme. Der zunächst langsamere Rote Riese gewinnt dadurch an Schwung.

Die anderen fleckigen Riesen, etwa 85 Prozent, sind Einzelkämpfer – und rotieren dennoch schnell. Die leichteren von ihnen, deren Masse in etwa dem der Sonne entspricht, sind wahrscheinlich im Laufe ihrer Entwicklung mit einem weiteren Stern oder einem Planeten verschmolzen und haben dadurch Fahrt aufgenommen. Die etwas schwereren, deren Masse zwischen der zweifachen und dreifachen Masse der Sonne liegt, blicken auf einen anderen Werdegang zurück. In der Blütezeit ihres Lebens, bevor sie zu Roten Riesen wurden, verhinderte ihr innerer Aufbau das Entstehen eines globalen Magnetfeldes und ihre Rotation hat sich nie deutlich abgebremst. Sie rotieren auch als Rote Riesen noch fast so schnell wie in jungen Jahren.

"Die Beobachtung, dass einige Rote Riesen Flecken haben, hat uns zu drei verschiedenen Gruppen schnell rotierender Sterne geführt", so Gaulme zusammenfassend. "Es ist also kein Wunder, dass das Phänomen weiter verbreitet ist, als wir bisher dachten", fügt er hinzu.

Untersuchungen, die etwas über die Entwicklung der Rotation und der magnetischen Aktivität bei Sternen verraten, können auch wichtige Hinweise auf die Bewohnbarkeit der Planetensysteme liefern, die um solche Sterne kreisen.

Über die aktuelle Studie berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienen ist.