Sterne geben das Geheimnis jugendlichen Aussehens preis

Die Geschwindigkeit des Alterungsprozesses eines Menschen dürfte damit nur wenig von seinem tatsächlichen Alter abhängen und vermutlich hauptsächlich von seinem Lebensstil bestimmt sein. Eine neue Studie mit dem MPG/ESO 2,2-Meter-Teleskop am La Silla-Observatorium der ESO und dem NASA/ESA Hubble Space Telescope hat nun ergeben, dass dasselbe auch für Sternhaufen gilt.

Kugelsternhaufen sind sphärische Ansammlungen von Sternen, die durch ihre eigene Schwerkraft aneinander gebunden sind. Mit einem Alter von üblicherweise 12-13 Milliarden Jahren sind sie Überbleibsel aus der Anfangszeit des Universums – der Urknall selber, mit dem das Universum entstanden ist, fand vor etwa 13,7 Milliarden Jahren statt. Zu unserer Milchstraße gehören ungefähr 150 Kugelsternhaufen, und sie enthalten viele der ältesten Sterne unserer Heimatgalaxie.

Obwohl die Kugelsternhaufen sich bereits in der fernen Vergangenheit gebildet haben und ihre Sterne alt sind, haben Astronomen jetzt mithilfe des MPG/ESO 2,2-Meter-Teleskop und des NASA/ESA Hubble Space Telescope festgestellt, dass einige dieser Sternhaufen in ihrem Herzen nach wie vor jung geblieben sind. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in der Ausgabe vom 20. Dezember 2012 der Fachzeitschrift Nature.

„Auch wenn diese Sternhaufen schon vor Milliarden von Jahren entstanden sind, haben wir uns gefragt, ob einige von ihnen vielleicht schneller oder langsamer altern als andere”, erläutert Francesco Ferraro von der Università di Bologna in Italien, der Leiter des Wissenschaftlerteams, das die Entdeckung gemacht hat. „Durch die Untersuchung der Verteilung einer bestimmten Sorte blauer Sterne, die es in Kugelsternhaufen gibt, haben wir herausfinden können, dass einige Sternhaufen sich tatsächlich viel schneller entwickelt haben. Daraus haben wir eine Methode entwickelt, um die Alterungsrate zu bestimmen.“

Sternhaufen entstehen innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne, so dass alle in einem bestimmten Sternhaufen enthaltenen Sterne in etwa gleich alt sind. Da helle, massereiche Sterne ihren Brennstoff sehr schnell verbrauchen und Kugelsternhaufen sehr alt sind, sollten sie eigentlich nur noch massearme Sterne enthalten.

Das ist aber nicht immer der Fall: Unter bestimmten Bedingungen können Sterne zusätzliches „Lebenselixier“ erhalten, also zusätzlichen Brennstoff, der sie wachsen und heller werden lässt. So etwas kann zum Beispiel passieren, wenn ein Stern einem Begleiter Materie abzieht, wenn die beiden Komponenten eines Doppelsternsystems miteinander verschmelzen oder wenn zwei Sterne kollidieren. Die auf diese Weise neu erstarkten Sterne nennt man Blaue Nachzügler [1], und um ihre hohe Masse und ihre große Leuchtkraft dreht sich die neue Studie.

Schwerere Sterne sinken im Laufe der Zeit durch einen Prozess, der dem Sedimentieren von Schwebeteilchen in Wasser ähnelt, in das Zentrum eines Kugelsternhaufens ab. Aufgrund ihrer hohen Massen werden die Blauen Nachzügler besonders stark beeinflusst. Durch ihre Helligkeit sind sie außerdem leicht zu beobachten [2].

Um den Alterungsprozess von Kugelsternhaufen besser verstehen zu können, beobachteten die Astronomen die Positionen von Blauen Nachzüglern in 21 Kugelsternhaufen mit dem MPG/ESO 2,2-Meter-Teleskop, dem Hubble Space Telescope und weiteren Observatorien [3]. Hubble stellte dabei hochaufgelöste Aufnahmen der dicht bevölkerten Zentren von 20 der Kugelsternhaufen zur Verfügung, während die bodengebundenen Observatorien Bilder mit einem größeren Gesichtsfeld lieferten, die auch die dünner besiedelten Außenbereiche der Haufen zeigen.

Bei der systematischen Auswertung der Bilder stellten die Wissenschaftler fest, dass einige der Kugelsternhaufen vergleichsweise jung aussehen und ihre Blauen Nachzügler über den gesamten Haufen verteilt sind, während der Großteil der Haufen viel älter wirkt und ihre Blauen Nachzügler sich in der Haufenmitte ansammeln. Eine dritte Gruppe befindet sich mitten im Alterungsprozess. Bei ihnen sieht man die Sterne nahe des Zentrums als erstes nach innen wandern. Erst später kommen die Sterne weiter außen hinzu.

„Da all diese Kugelsternhaufen etwa gleich alt sind, zeigt uns das, wie sehr sich die Entwicklungsgeschwindigkeit von Haufen zu Haufen unterscheidet”, ergänzt Barbara Lanzoni von der Università di Bologna, eine der Ko-Autorinnen der Studie. „Wir glauben, dass der Sedimentationsprozess bei den schnell alternden Haufen nach wenigen hundert Millionen Jahren abgeschlossen sein kann, während er bei den langsamsten Vertretern ein Vielfaches des gegenwärtigen Alters des Universums andauern wird.”

Das Absinken der schwersten Sterne in Richtung des Haufenzentrums führt letztlich dazu, dass das Zentrum extrem dicht wird. Dieses Phänomen nennt man Kernkollaps. Die Prozesse, die zum Kernkollaps führen, sind gut verstanden und hängen von der Anzahl, der Dichte und der Geschwindigkeit der Sterne ab. Unklar war bislang aber, wie häufig soetwas stattfindet [4]. Diese Studie liefert daher die ersten empirischen Hinweise darauf, wie schnell verschiedene Kugelsternhaufen altern.

Endnoten

[1] Die Bezeichnung Blauer Nachzügler ergibt sich aus der blauen Farbe der Sterne und aus der Tatsache, dass sie in ihrer Entwicklung hinter ihren Nachbarn zurückliegen.

[2] Blaue Nachzügler sind verglichen mit typischen Sternen eines Kugelsternhaufens sowohl heller als auch massereicher, sie sind aber bei weitem nicht die einzigen massereichen oder leuchtkräftigen Sterne.

Rote Riesensterne sind noch einmal deutlich heller, haben aber eine viel geringere Masse und werden daher von dem Sedimentationsprozess nicht so stark beeinträchtigt. Sie sind über ihre Farbe leicht von Blauen Nachzüglern zu unterscheiden.

Die extrem dichten Zentralbereiche von Sternen, die deutlich massereicher waren als die Sonne und die bereits vor Milliarden von Jahren explodiert sind, sogenannte Neutronensterne, haben eine ähnliche Masse wie die Blauen Nachzügler und sind ebenfalls von dem Sedimentationsprozess betroffen. Sie sind allerdings nur sehr schwer zu beobachten und geben daher keine guten Studienobjekte ab.

Blaue Nachzügler sind die einzigen Sterne in Kugelsternhaufen, die große Massen und Helligkeiten miteinander kombinieren.

[3] Von den 21 in dieser Forschungsarbeit untersuchten Sternhaufen wurden 20 mit dem Hubble Space Telescope, 12 mit dem MPG/ESO 2,2-Meter-Teleskop, acht mit dem Canada-France-Hawaii-Teleskop und einer mit dem Subaru-Teleskop beobachtet.

[4] Diese Rate hängt in komplexer Weise von der Anzahl der Sterne, ihrer Dichte sowie ihrer Geschwindigkeiten innerhalb des Haufens ab. Während die ersten beiden Parameter relativ einfach zu messen sind, sind die Geschwindigkeiten der Sterne nicht so leicht zugänglich. Aus diesem Grund basierten vorangegangene Schätzungen zum dynamischen Altern von Kugelsternhaufen in erster Linie auf theoretischen Annahmen, während die neue Methode ausschließlich auf Messdaten zurückgreift.

Zusatzinformationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse von F. R. Ferraro et al. erscheinen am 20. Dezember 2012 unter dem Titel „Dynamical age differences amongst coeval star clusters as revealed by blue stragglers” in der Fachzeitschrift Nature.

Die beteiligten Wissenschaftler sind F. R. Ferraro (Università di Bologna, Italien), B. Lanzoni (Università di Bologna), E. Dalessandro (Università di Bologna), G. Beccari (ESO Garching), M. Pasquato (Università di Bologna), P. Miocchi (Università di Bologna), R. T. Rood (University of Virginia, Charlottesville, USA), S. Sigurdsson (Pennsylvania State University, USA), A. Sills (McMaster University, Hamilton, Kanada), E. Vesperini (Indiana University, Bloomington, USA), M. Mapelli (INAF-Osservatorio Astronomico di Padova, Italien), R. Contreras (Università di Bologna), N. Sanna (Università di Bologna) und A. Mucciarelli (Università di Bologna).

Diese Forschungsarbeit ist Teil des Cosmic-Lab-Projekts (www.cosmic-lab.eu), das vom European Research Council (ERC) mit insgesamt 1,8 Millionen € über einen Zeitraum von 5 Jahren gefördert wird. Der ERC wurde 2007 von der Europäischen Union ins Leben gerufen und zielt darauf ab, wissenschaftliche Exzellenz in Europa durch die Unterstützung des Wettbewerbs zwischen den allerbesten und kreativsten Wissenschaftlern jeden Alters und aller Nationen zu stimulieren. Seit seiner Gründung hat der ERC mehr als 2500 Wissenschaftler und ihre bahnbrechenden Arbeiten aus ganz Europa gefördert. Der ERC arbeitet nach einem forschungsgetriebenen „Bottom-up“-Ansatz, der es den Wissenschaftlern erlaubt, neue Möglichkeiten in den Forschungsfeldern Natur- und Ingenieurwissenschaften, Lebenswissenschaften sowie Sozial- und Geisteswissenschaften zu identifizieren. Er wurde außerdem zu einem Bezugspunkt für die Vergleichbarkeit nationaler Forschungssysteme und ergänzt existierende Förderlinien auf nationaler und europäischer Ebene. Der ERC hat als neueste Komponente des siebten Forschungsrahmenprogramms der EU für die Jahre 2007 bis 2013 ein Gesamtbudget von 7,5 Milliarden € zur Verfügung. Im vergangenen Jahr hat die Europäische Kommission eine deutliche Erhöhung des ERC-Budgets für die Jahre 2014 bis 2020 unter dem nächsten Forschungsrahmenprogramm vorgeschlagen ('Horizon 2020'). Der ERC besteht aus einer Exekutivagentur und einem wissenschaftlichen Beratergremium. Das Beratergremium setzt sich aus 22 erstklassigen Wissenschaftlern zusammen und bestimmt die wissenschaftliche Strategie des ERCs. Der ERC wird von seiner Präsidentin Prof. Helga Nowotny geleitet. Das wissenschaftliche Beratergremium wird in Brüssel durch den Generalsekretär Prof. Donald Dingwell repräsentiert. Die ERC-Exekutiveagentur setzt das Sonderprogramm „Ideas“ um und wird von Interimsdirektor Pablo Amor geleitet.

Im Jahr 2012 feiert die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) das 50-jährige Jubiläum ihrer Gründung. Die ESO ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 15 Mitgliedsländer: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist der europäische Partner für den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das größte astronomische Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO ein Großteleskop mit 39 Metern Durchmesser für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird: das European Extremely Large Telescope (E-ELT).

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsstaaten (und einigen weiteren Ländern) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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