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Giant stars in the virgo-cluster
Sternriesen im Virgo-Cluster
Untersuchungen mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte widerlegen bisherige Theorien, wonach extrem massereiche Sterne nur in Regionen entstehen können, die arm an schweren Elementen sind.
Von Georg Wolschin
Sterne mit hundert und mehr Sonnenmassen spielen eine besondere Rolle in der Entwicklung der Galaxien. Sie sorgen durch Kernfusionsprozesse während ihres Lebens und mit der unausweichlichen Supernova-Explosion bei ihrem fulminanten Abgang für die Synthese des Hauptanteils jener Elemente, die nicht wie Wasserstoff, Helium und Lithium-7 schon beim Urknall entstanden sind. Mit ihrer enormen Gravitationskraft beeinflussen sie zudem die Verteilung von Sternen und Molekülwolken sowie von interstellarem Gas und Staub. Überdies wirbeln sie durch ihren gigantischen Ausstoß an elektromagnetischer und Teilchen-Strahlung sowie durch die gewaltige finale Explosion die interstellare Materie in ihrer Umgebung heftig durcheinander.
Nach bisherigen Theorien können solche Sternriesen jedoch nicht in Regionen des Weltalls entstehen, in denen als Erbe früherer Sterngenerationen bereits größere Mengen schwerer Elemente vorkommen, welche Astronomen "Metalle" nennen. Die Begründung dafür klingt durchaus plausibel. Während Sterne aus einer Gas- und Staubwolke kondensieren, senden sie starke Strahlung aus, die besonders gut von schwereren Elementen absorbiert wird. Diese erhalten dadurch einen Impuls, der sie von dem jungen Stern wegtreibt - sie werden vom Sternwind gleichsam davongeblasen. Dabei reißen sie in gewissem Maße auch die leichteren Atome in der Gaswolke mit sich fort. Auf diese Weise schneiden sich die frisch gebackenen Sterne selbst von der Zufuhr an Materie ab, die sie bräuchten, um zu echten Schwergewichten mit mehr als 20 Sonnenmassen heranzuwachsen so jedenfalls die Theorie.
Die Praxis sieht aber offenbar anders aus. Ein internationales Astronomenteam um Daniel Schaerer aus Toulouse hat jetzt erstmals auch in metallreichen Regionen, deren Gehalt an schweren Elementen ebenso hoch ist wie im Sonnensystem oder sogar noch höher, Sterne mit mindestens 60 bis 90 Sonnenmassen gefunden. Damit sind die bisherigen Vorstellungen nicht länger haltbar. Wo der Fehler steckt, ließ sich vorerst allerdings nicht klären.
Eigentlich wollten die Forscher nur einen Blick in die Sternen-Kinderstube von fünf Galaxien des etwa 50 Millionen Lichtjahre entfernten Virgo-Clusters werfen. Dazu untersuchten sie so genannte H-II-Regionen: Gaswolken, die sich durch hohe Konzentrationen an Wasserstoff auszeichnen, der durch die Strahlung junger Sterne ionisiert wurde. Sie sind extrem leuchtschwach und deshalb äußerst schwer zu beobachten. Dennoch gelang es mit dem 8,2-Meter-Teleskop Antu der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile und einem hochemfindlichen Spektrometer, optische Spektren davon aufzuzeichnen.
In nur einer Nacht konnten die Wissenschaftler auf diese Weise 85 metallreiche H-II-Regionen studieren. Zu ihrem eigenen Erstaunen entdeckten sie bei 27 davon den klaren spektralen Fingerabdruck sogenannter Wolf-Rayet (WR) Sterne und bei weiteren 15 zumindest Hinweise darauf. Aus unserer Milchstraße sind diese Objekte, die nach den französischen Astronomen Charles Wolf und Georges Rayet benannt wurden, bestens bekannt als späte Entwicklungsstadien besonders massereicher Sterne. Ihre Vorläufer haben durch noch nicht ganz geklärte Prozesse ihre wasserstoffreiche Hülle verloren und zeigen nun quasi ihren nackten Kern, an dessen Oberfläche die Fusionsprodukte des Wasserstoff- oder Heliumbrennens zu sehen sind.
WR-Sterne verhalten sich geradezu selbstmörderisch: Sie senden heiße, dichte Sternwinde aus, die Endgeschwindigkeiten bis zu 3000 Kilometer pro Sekunde erreichen, und verlieren dadurch pro Jahr ein Zehntausendstel einer Sonnen- oder das 33-fache der Erdmasse. Im Spektrum dieser Sterne dominieren bis zu zehn Nanometer breite, sehr starke Emissionslinien. Sie überlagern ein blaues, zu kurzen Wellenlängen ansteigendes Kontinuum, das extrem hohen Temperaturen bis zu 90000Grad Celsius entspricht. Dadurch heben sich WR-Sterne deutlich von anderen Sternarten ab.
Man unterscheidet drei Subtypen. Je nachdem ob sie die Emissionslinie von Stickstoff (N), Kohlenstoff (C) oder Sauerstoff (O) zeigen, spricht man von WN-, WC- oder WO-Sternen. Meist treten mehrere Ionisationsstufen gleichzeitig auf, beispielsweise in WC-Sternen die Linie für zweifach ionisierten Kohlenstoff (C III) bei 569,8 und für die dreifach ionisierte Form (C IV) bei 580,8 Nanometern.
In unserer Galaxis haben WC-Sterne bisher etwa zehn Millionen Sonnenmassen an Kohlenstoff geliefert, die durch die Sternwinde in den interstellaren Raum geweht wurden. Damit stammt fast der gesamte Kohlenstoffgehalt unserer Milchstraße von ihnen. Daraus wird ersichtlich, welch überragende Bedeutung Wolf-Rayet Sternen bei der Elemententstehung und der chemischen Entwicklung von Galaxien zukommt. Wenn sie auch in metallreichen Regionen entstehen können, hat das also gravierende Auswirkungen.
In den nun erstmals untersuchten H-II-Regionen des Virgo-Clusters zeigen 14 der 27 Gebiete mit Wolf-Rayet-Signatur die für WC-Sterne charakteristische C-IV-Emission. Auch hier sind demnach verschwenderische Kohlenstoff-Schleudern in Aktion. Sollte also jemals Erdöl auf einem extrasolaren Planeten in einer der Virgo-Galaxien gefunden werden, ist das nicht zuletzt den WC-Sternen zu verdanken.
Bild 1: Die Spiralgalaxie NGC 4254 im Virgo-Cluster mit den untersuchten metallreichen H-II-Gebieten (blaue Kreise) in einer Aufnahme mit dem VLT der Europäischen Südsternwarte in Chile.
Bildquelle: ESO
Bild 2: Das Spektrum massereicher Wolf-Rayet Sterne in einer metallreichen H-II-Region der Spiralgalaxie NGC 4254 weist die charakteristischen Linien von ionisiertem Helium (He II) sowie von zwei- und dreifach ionisiertem Kohlenstoff (C III, C IV) auf. Zum Vergleich sind unten Spektren ähnlicher Sterne (WC,WN) in der Milchstraße gezeigt.
WR-Spectrum Bildquelle: ESO
Siehe Spektrum d. Wissenschaft XY (2003) für den ausführlichen redigierten und illustrierten Artikel (dort unter anderem redaktionellen Titel).