STERNE
Die Vorläufersterne wasserstoffarmer Supernovae
Redaktion / Pressemitteilung des Institute of Science and Technology Austria
astronews.com
15. Dezember 2023

Massereiche Sterne beenden ihr stellares Leben in einer Supernova-Explosion und können dadurch ihre Umgebung entscheidend prägen. Allerdings schien eine bestimmte Art von Supernovae deutlich häufiger vorzukommen, als man sich das erklären konnte. Zwei Astrophysikerinnen haben sich nun auf die Suche nach den Vorläufersternen dieser Supernovae gemacht - und wurden fündig.

Künstlerische Darstellung eines Doppelsternsystems mit Massentransfer von einem zum anderen Partner. Bild: Ylva Götberg [Großansicht]

Manche Sterne sterben nicht einfach, sondern sie explodieren am Ende ihres stellaren Lebens in einer gewaltigen Explosion, die ganze Galaxien überstrahlen kann. Diese kosmischen Phänomene, Supernovae genannt, verbreiten Licht, Elemente, Energie und Strahlung im Weltall. Mit den galaktischen Stoßwellen, die sie erzeugen, komprimieren Supernovae Gaswolken und können die Geburt neuer Sterne anregen. Supernovae spielen im Universum also eine wichtige Rolle.

Jedoch haben wasserstoffarme Supernovae von explodierenden massereichen Sternen die Forschung lange Zeit vor ein Rätsel gestellt. Der Grund: Man war nicht in der Lage, ihre Vorläufersterne zu identifizieren. Es ist fast so, als wären diese Supernovae aus dem Nichts aufgetaucht. "Es gibt viel mehr wasserstoffarme Supernovae, als unsere derzeitigen Modelle erklären können. Entweder können wir die Sterne, die sich auf diesem Weg entwickeln, nicht entdecken, oder wir müssen alle unsere Modelle überarbeiten", sagt Ylva Götberg, Assistenzprofessorin am Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Sie leistete die aktuelle Studie zusammen mit Maria Drout, einer assoziierten Assistenzprofessorin des Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics an der Universität Toronto in Kanada.

"Einzelne Sterne explodieren normalerweise als wasserstoffreiche Supernovae. Dass sie wasserstoffarm sind, bedeutet, dass der Vorläuferstern seine dicke, wasserstoffreiche Hülle verloren haben muss. Dies geschieht bei einem Drittel aller massereichen Sterne auf natürliche Weise durch Abstreifen der Hülle durch einen Doppelstern", erläutert Götberg. Nun haben Götberg und Drout ihre Kompetenzen in der theoretischen Modellierung und Beobachtung kombiniert, um die fehlenden Sterne aufzuspüren - und waren erfolgreich: Sie spürten eine neuartige Sternpopulation auf, die Licht auf den Ursprung wasserstoffarmer Supernovae wirft.

Die Sterne, nach denen Götberg und Drout suchen, kommen paarweise vor: jeder Stern ist mit einem Begleitstern in einem Doppelsternsystem verbunden. Die Sterne dürften ursprünglich Teil eines massereichen Doppelsternsystems gewesen sein. In einem Doppelsternsystem kreisen die Sterne umeinander, bis sich die dicke, wasserstoffreiche Hülle des massereicheren Sterns ausdehnt. Schließlich wird die expandierende Hülle stärker an den Begleitstern angezogen als auf den eigenen Kern. Dadurch setzt ein Massentransfer ein, der schließlich dazu führt, dass die gesamte wasserstoffreiche Hülle abgestreift wird und der heiße und kompakte Heliumkern freiliegt – mehr als zehnmal so heiß wie die Sonnenoberfläche.

Dies ist genau die Art von Sternen, nach denen Götberg und Drout suchen. "Wissenschafterinnen und Wissenschaftler ahnten bereits, dass Heliumsterne mittlerer Masse, die durch binäre Wechselwirkung entstanden sind, eine wichtige Rolle in der Astrophysik spielen. Dennoch wurden solche Sterne bisher nicht beobachtet", sagt Götberg. Tatsächlich gibt es eine große Masselücke zwischen den bekannten Klassen von Heliumsternen: die massereicheren Wolf-Rayet-Sterne (WR) haben mehr als das Zehnfache der Sonnenmasse, und die massearmen Unterzwergsterne könnten etwa die Hälfte der Sonnenmasse haben. Laut Modellen liegen jedoch die Vorläufer wasserstoffarmer Supernovae nach dem Massentransfer zwischen zwei und acht Sonnenmassen.

Vor der Studie von Götberg und Drout wurde nur ein Stern gefunden, der die erwarteten Kriterien für Masse und Zusammensetzung erfüllte. Dadurch, dass er an Wolf-Rayet-Sterne erinnerte, wurde er "Quasi-WR" benannt. "Doch die Sterne, die sich auf diesem Weg entwickeln, haben eine so lange Lebensdauer, dass viele von ihnen über das gesamte beobachtbare Universum verstreut sein müssen", sagt Götberg. Wurden sie also einfach übersehen?

Um diese Frage zu beantworten, schauten sich die Forscherinnen Beobachtungsdaten an: Mithilfe von UV-Photometrie und optischer Spektroskopie identifizierten sie schließlich eine Population von 25 Sternen, die mit den Erwartungen für Heliumsterne mittlerer Masse übereinstimmen. Die Sterne befinden sich in zwei gut untersuchten benachbarten Satellitengalaxien der Milchstraße, der Großen und der Kleinen Magellanschen Wolke. "Wir haben gezeigt, dass diese Sterne blauer sind als die Sternen-Geburtslinie, die blaueste Phase im Leben eines einzelnen Sterns. Einzelne Sterne entwickeln sich zum rötlichen Bereich des Spektrums hin. Ein Stern verschiebt sich nur dann in die entgegengesetzte Richtung, wenn seine äußeren Schichten entfernt werden – etwas, das bei wechselwirkenden Doppelsternen häufig und bei massereichen Einzelsternen selten vorkommt", erklärt Götberg.

Die Forscherinnen konnten außerdem zeigen, dass die Sterne starke spektrale Signaturen von ionisiertem Helium aufweisen. "Starke ionisierte Heliumlinien geben uns zwei wichtige Hinweise: Erstens bestätigen sie, dass die äußersten Schichten der Sterne von Helium dominiert werden und zweitens, dass ihre Oberfläche sehr heiß ist. Das ist das, was bei Sternen passiert, die nach dem Massentransfer einen freiliegenden, kompakten, heliumreichen Kern haben", sagt Götberg.

In einem Doppelsternsystem tragen jedoch beide Sterne zu den beobachteten Spektren bei. So konnten die Forscherinnen mit dieser Technik ihre Kandidatenpopulation danach klassifizieren, welcher Stern den größten Beitrag zum Spektrum leistet. "Diese Arbeit ermöglichte es uns, die fehlende Population von Heliumsternen mittlerer Masse zu finden, die als Vorläufer von wasserstoffarmen Supernovae vorhergesagt werden. Diese Sterne hat es schon immer gegeben, und es gibt wahrscheinlich noch viel mehr von ihnen da draußen. Wir müssen nur Wege finden, um sie zu finden", sagt Götberg. "Unsere Arbeit ist vielleicht einer der ersten Versuche, aber es sollte noch weitere Möglichkeiten geben."

Die Idee zu diesem Projekt entstand in einer Diskussion nach einem Vortrag von Götberg auf einer Konferenz, die sie und Drout während ihres Studiums besuchten. Die Ergebnisse der Studie wurden jetzt in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.