Eine Sternenherde in der Wildente Gruppe altert.

Enthalten Sternhaufen viele oder nur einen Generationen von Sternen? Wissenschaftler haben lange nach einer Antwort gesucht und dank des MMT-Teleskops der University of Arizona eine im Wild Duck Cluster gefunden, wo sich Sterne mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen und ihr gemeinsames Alter verschleieren.

In einer Partnerschaft zwischen der UA und dem Korean Astronomy and Space Science Institute hat ein Team von koreanischen und belgischen Astronomen UA-Instrumente eingesetzt, um ein Rätsel über Sternenherden zu lösen, die als offene Cluster bezeichnet werden.

Astronomen glauben seit langem, dass viele offene Cluster aus einer einzigen Generation von Sternen bestehen, denn sobald sich Sterne gebildet haben, bläst ihre Strahlung das Material in der Nähe weg, das zur Herstellung neuer Sterne benötigt wird. Aber im Wildente-Cluster – von Wissenschaftlern als Messier 11 oder M11 bekannt – erscheinen Sterne gleicher Helligkeit in verschiedenen Farben, was darauf hindeutet, dass sie unterschiedlich alt sind. Sofern Wissenschaftler nicht wichtige Hinweise auf die Sternenentwicklung verpasst hätten, müsste es eine andere Erklärung für die Ausbreitung von Farben in dieser Ansammlung von etwa 2.900 Sternen geben.

„Astronomen arbeiten seit Jahrzehnten an dieser Frage“, sagte Serena Kim, eine assoziierte Astronomin am Steward Observatorium der UA. „Bilden sich Cluster in einer Generation oder mehreren Generationen? Unsere Studie beantwortete diese Frage für den Wildente-Cluster.“

Beomdu Lim von der Kyung Hee Universität leitete ein internationales Team von Astronomen, die das MMT-Teleskop – gemeinsam betrieben von der UA und dem Smithsonian Astrophysical Observatory – zur Untersuchung des Clusters benutzten. Das Team entdeckte, dass es nicht das Alter der Sterne ist, das sie in einer Farbverteilung erscheinen lässt: Es ist ihre Rotation.

Offene Cluster enthalten Tausende von Sternen, die Astronomen aus den gleichen riesigen Gaswolken gebildet haben. Diese Sterne gibt es in allen Größen, von kurzlebigen, riesigen blauen Sternen, die dutzende Male massiver sind als unsere Sonne, bis hin zu langlebigen massearmen Zwergen, die 10 Milliarden Jahre oder länger brennen werden. Die Helligkeit und Farbe jedes Sterns ändert sich mit zunehmendem Alter, so dass Wissenschaftler sein Alter bestimmen können.

„Wenn ein Stern immer älter wird, erhellt er sich und wird röter“, sagte Lim.

Astronomen zeichnen die Helligkeit und Farbe junger Sterne in einer diagonalen Linie – von hell, blau und massiv am oberen Rand der Linie bis hinunter zu schwach, rot und weniger massiv am unteren Ende – der sogenannten Hauptsequenz.

Der Wendepunkt – der Punkt, an dem ein Stern altert und die Hauptsequenz verlässt – wird verwendet, um das Alter der Cluster basierend auf der bekannten Lebenserwartung jedes Sterns zu bestimmen. Wenn die Sterne die Hauptsequenz am gleichen Punkt verlassen, wie Autos auf einer Autobahn, die die gleiche Ausfahrt nehmen, dann sind die Sterne des Clusters alle gleich alt.

Im Wildentencluster hingegen weichen die Sterne an verschiedenen Stellen von der Diagonale ab, wie z.B. bei Autos, die verschiedene Ausfahrten entlang einer Autobahn nehmen.

„Das scheint nicht intuitiv zu sein, da die Sterne in einem offenen Cluster wie dem M11 der gleichen Generation angehören“, sagte Kim.

Lim und sein Team machten sich auf den Weg, um herauszufinden, welche stellaren Eigenschaften dieses Muster möglicherweise erklären könnten.

Sie drehten das MMT-Teleskop in Richtung Cluster, um das Farbspektrum der Sterne mit einer Hectochelle zu untersuchen. Das Instrument wirkt wie ein Prisma und verteilt das Sternenlicht in seine Komponenten, die die Astronomen ein Spektrum nennen. Die Spektren sind wie Barcodes, wobei jede Linie eine andere Chemikalie in der Zusammensetzung des Sterns identifiziert.

Hectochelle kann detaillierte Spektren vieler Sterne auf einmal erfassen und ist somit ein ideales Instrument zur Beobachtung von Clustern wie der Wildente, die aus Tausenden von Sternen besteht.

Während sich ein Stern dreht, bewegt sich die eine Seite zur Erde und die andere zur Erde. Die Hälfte des sich zur Erde drehenden Sterns sendet Licht mit Wellenlängen, die zerquetscht aussehen, so dass das Licht blauer erscheint, als es wäre, wenn sich der Stern nicht bewegen würde. Die Hälfte des Sterns, die sich von der Erde wegdreht, lässt die Wellenlängen gestreckt erscheinen, so dass sein Licht röter erscheint. Dieses Quetschen und Dehnen bewirkt, dass sich Spektrallinien über einen Wellenlängenbereich ausbreiten, anstatt nur auf eine Wellenlänge zu steigen.

Die Sterne in der Wildente Gruppe, so stellt sich heraus, sind im Farbspektrum nicht wegen des unterschiedlichen Alters, sondern wegen der unterschiedlichen Rotationsperioden verteilt.

„Die Auswirkungen der Rotation auf die Sternenentwicklung wurden in der Vergangenheit oft vernachlässigt“, sagte Yaël Nazé, Astronom an der Universität Lüttich in Belgien und Mitautor der Arbeit.

Die Spektren zeigten auch, dass sich die Sterne mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen. Lim und sein Team führten Computersimulationen durch, um herauszufinden, wie schnell sich jeder Stern dreht.

„Ein sich schnell drehender Stern kann länger in der Hauptsequenzstufe bleiben als ein sich langsam drehender Stern“, sagte Lim. „Ein breites Spektrum an Sterngeschwindigkeiten führt zu unterschiedlichen Lebenszeiten der Sterne.“

Die Rotationsgeschwindigkeit ist wie ein Jungbrunnen für einen Stern: Je schneller er sich dreht, desto besser mischt er Wasserstoff – den Treibstoff des Sterns – in seinen Kern ein. Je mehr Wasserstoff der Kern aufnimmt, desto länger lebt der Stern, so dass er röter erscheint als jüngere Geschwister.

Sterne im Cluster erscheinen in verschiedenen Farben, weil die Wolke, in der sie geboren wurden, sie in Bewegung versetzt, was die Lebensdauer für einige von ihnen verlängern würde.

Obwohl Kim nicht Teil der Wild Duck Cluster Studie ist, hat sie in der Vergangenheit mit Lim zusammengearbeitet, um andere Sternhaufen zu untersuchen und Mysterien der Sternenbildung aufzudecken. Ihre Kooperationen sind Teil einer wachsenden Partnerschaft zwischen der UA und dem Korean Astronomy and Space Science Institute.

Mehr Informationen:
Beomdu Lim et al. Erweiterte Abschaltung der Hauptsequenz, die aus einem breiten Spektrum von stellaren Rotationsgeschwindigkeiten stammt, Nature Astronomy (2018). DOI: 10.1038/s41550-018-0619-5

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