Feuerwerk bei der Entstehung massiver Sterne

Ein internationales Forscherteam um Alessio Caratti o Garatti vom Dublin Institute for Advanced Studies (Irland) hat erstmals beobachtet und analysiert, wie ein massereicher junger Stern durch den Einfall von Materie wächst. Die Astronomen haben dafür den Stern S255IR NIRS 3 (Kurzform: NIRS 3), der 20 mal schwerer ist als unsere Sonne, im mittleren und fernen Infrarotbereich mit SOFIA - dem Stratosphären Observatorium für Infrarot Astronomie - beobachtet und diese mit Bildern und Spektren anderer Weltklasse-Observatorien (Gemini Observatory, ESO/VLT, Calar Alto Observatory, ESO/MPG) kombiniert. Die Universität Stuttgart koordiniert für die deutschen Partner den Betrieb des SOFIA Observatoriums.

Künstlerische Darstellung des Helligkeitsausbruchs des jungen, massereichenSterns S255IR NIRS 3 (Copyright: DSI).

Mit diesen Daten haben Caratti o Garatti und seine Kollegen bestätigt, dass schwere Sterne vermutlich genau wie ihre weniger massereichen Geschwister durch den Kollaps von interstellaren Gas- und Staubwolken entstehen. Im Innern dieser Gebiete formieren sich Protosterne, die von einer sogenannten Akkretionsscheibe umgeben sind. Material fällt von außen auf diese Scheibe, wandert aufgrund der Schwerkraft nach innen und stürzt vom Innenrand der Scheibe auf den Protostern. So gewinnt der junge Stern an Masse und die dabei freiwerdende Energie wird abgestrahlt. Dieser Massezuwachs findet nicht stetig, sondern in Form von Wachstumsschüben statt, da die Materie in den Akkretionsscheiben nicht ebenmäßig verteilt ist, sondern in Klumpen. Wenn diese auf den Stern stürzen, verursachen sie dort einen plötzlichen Helligkeitsanstieg. Erstmals konnten Wissenschaftler dieses Phänomen nun auch bei einem so massereichen Objekt wie NIRS 3 beobachten. Damit haben die neuen Beobachtungen von Caratti o Garatti und seinen Kollegen für NIRS 3 bestätigt, dass die Entstehung von massereichen Sternen als vergrößerte Version der Formation sonnenähnlicher, masseärmerer Sterne verstanden werden kann. Der wesentliche Unterschied ist, dass massereichere Sterne von einer größeren Akkretionsscheibe umgeben sind und mit einer höheren Wachstumsrate auf kürzeren Zeitskalen entstehen (innerhalb von nur etwa 100.000 Jahren anstelle von mehreren Millionen Jahren).
Das internationale Astronomen Team aus Irland, Deutschland, Italien, Großbritannien, Chile, den USA und Spanien veröffentlichte ihre aktuelle Arbeit im Nature Physics Journal vom 14. November 2016.

Nah-Infrarotbilder (K, H, J Filter) des massereichen jungen Sterns S255IR NIRS 3 vor dem Ausbruch (links, UKIDSS Archivdaten von
2009 bzw. während des Ausbruchs (Mitte, Ende 2015 - aufgenommen mit der PANIC Kamera des Calar Alto Observatoriums).
Ganz rechts ist das Dreifarbenbild der FORCAST Aufnahmen (SOFIA Observatorium) während des Ausbruchs (Frühjahr 2016 bei 7,7, 19,7 und 31,5 Mikrometern) zu sehen. Copyright: Caratti o Garatti.

Die spektrale Energieverteilung vor (blau, 2009) und während (rot und gelb, 2016) des Ausbruchs. Insbesondere die Daten im mittleren und fernen Infraroten, die durch FORCAST & FIFI-LS an Bord von SOFIA gewonnen wurden, sind entscheidend um die totale Helligkeit während des Ausbruchs abzuleiten. Copyright: Caratti o Garatti.

Erfreulicherweise hatte sein Kollege Jochen Eislöffel, ebenfalls Co-Autor der Nature Veröffentlichung, flexible SOFIA-Beobachtungszeit für sogenannte Targets of Opportunity erhalten. Mit den SOFIA-Instrumenten FORCAST ¹ (bei 7,7, 11,1, 19,7, 31,5 und 37,1 Mikrometern) und FIFI-LS ² (bei 65, 90, 140 und 160 Mikrometern) konnten so Daten von NIRS 3 im mittleren und fernen Infraroten gewonnen werden. Um fundamentale Parameter wie zum Beispiel die gesamte Masse, die während des Helligkeitsausbruchs auf den Stern gefallen ist, oder die totale Energie, die dabei frei gesetzt wurde, zu bestimmen, waren die SOFIA Daten von entscheidender Bedeutung. „Wir waren sehr aufgeregt zu sehen, wie sehr sich die spektrale Energieverteilung – vor allem im mittleren und fernen Infraroten – während des Ausbruchs geändert hat“, so Jochen Eislöffel, Principle Investigator der SOFIA Beobachtungen. Die SOFIA Daten haben außerdem maßgeblich zur Abdeckung des großen Wellenlängenbereiches für NIRS 3 beigetragen. So konnten die Astronomen andere Prozesse, wie etwa die Verdunkelung durch interstellaren Staub, für die starken Helligkeitsschwankungen ausschließen.

Die Animation zeigt die Bewegung des Lichtechos zwischen November 2015 und Februar 2016. Copyright: Caratti o Garatti.

Mit Hilfe von Aufnahmen, die im Abstand von mehreren Monaten aufgenommen wurden, und der Entfernung, die Licht (mit rund 300.000 Stundenkilometer) in dieser Zeit zurücklegt, konnten Caratti o Garatti und seine Kollegen ableiten, dass der Helligkeitsausbruch von NIRS 3 bereits im Juni 2015 (unserer Zeit!) angefangen hat. Eine detaillierte Untersuchung dieser Objekte war bislang schwierig, da massive Protosterne von großen Mengen an Staub und Gas umgeben sind und nur Infrarotdaten diese Hülle durchdringen können. “Im Moment kann nur SOFIA die notwendigen Daten im mittleren und fernen Infrarotbereich zu Verfügung stellen, die nötigt sind, um wichtige Parameter des Helligkeitsausbruchs so junger, massiver Sterne und ihre totale Helligkeit zu bestimmen“, fasst Alfred Krabbe, Leiter des Deutschen SOFIA Instituts an der Universität Stuttgart zusammen. Er ist außerdem Principle Investigator von FIFI-LS und Co-Autor der aktuellen Nature Veröffentlichung. “In nur neun Monaten hat dieser Ausbruch die gleiche Menge Energie produziert, wie unsere Sonne in 100000 Jahren“, so Alfred Krabbe weiter. Die Astronomen konnte sogar ableiten, wieviel Masse während dieser Zeit auf den jungen Stern gestürzt ist: Etwa so viel wie zwei Riesenplaneten von der Masse des Jupiters. „Überraschenderweise, beobachten wir nicht nur beim Sterben von massereichen Sternen ein Feuerwerk, sondern auch schon bei ihrer Entstehung“, folgert Caratti o Garatti.