Das GENESIS Projekt S106 - Der Entstehung massereicher Sterne auf der Spur

3. Dezember 2018 /

Nicola Schneider von der Universität zu Köln und ihr internationales Team kombinieren Beobachtungen der fliegenden Sternwarte SOFIA (Stratosphären Observatorium für Infrarot Astronomie) mit Daten anderer Observatorien

Wie genau bilden sich massereiche Sterne in unserer Milchstraße? Dieser Frage geht Dr. Nicola Schneider von der Universität zu Köln im GENESIS Projekt S106 mit ihrem internationalen Team nach, indem sie Beobachtungen mit der fliegenden Sternwarte SOFIA (Stratosphären Observatorium für Infrarot Astronomie) mit Daten anderer Observatorien kombiniert. Diese Art der Studien sind die Hauptaufgabe des deutsch-französischen Kollaborationsprojektes GENESIS (N. Schneider, R. Simon vom I. Physik. Institut, Köln und S. Bontemps vom Laboratoire d’a strophysique Bordeaux). Alle Sterne, auch ein gewöhnlicher von durchschnittlicher Masse wie zum Beispiel unsere Sonne, entstehen aus interstellaren Gas- und Staubwolken. Diese Wolken zeigen eine komplexe Struktur mit Filamenten und Verklumpungen. Der Massefluss entlang der Filamente endet in einer  Akkretionsscheibe um den Protostern. Diese Scheibe sammelt nach und nach die umliegende Materie ein und in ihrem Innern entsteht schließlich der Stern. Ausgelöst durch diesen Prozess wird zusätzlich ionisiertes Gas senkrecht zur Scheibe in sogenannten Jets ausgestoßen. Bei einem massearmen Stern finden diese Abläufe vergleichsweise geordnet in klar unterscheidbaren Phasen statt und dauern zusammen etwa eine Million Jahre. Ist dann der Druck im Innern des Protosterns hoch genug, wird das Wasserstoffbrennen (die Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Helium) gezündet -  der neue Stern ist geboren.

Sternentstehungsregion S106
Bild der Sternentstehungsregion S106 im Sternbild Cygnus (der Schwan), aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop. Im Zentrum befindet sich der junge, massereiche Doppelstern S106 IR, der von Staub umhüllt ist, und für die sanduhrähnliche Form der umgebenden Gaswolke und die darin sichtbaren Turbulenzen verantwortlich ist. Copyright: NASA & ESA

Massereiche Sterne dagegen kollabieren vermutlich innerhalb von nur einigen 1000 Jahren und starten ihr Wasserstoffbrennen bereits während sich die Akkretionsscheibe noch ausbildet – die verschiedenen Phasen der Sternentstehung finden nicht geordnet nacheinander, sondern gleichzeitig statt und lassen sich schwer voneinander getrennt untersuchen. Und um es den Forschern nicht zu leicht zu machen, bilden sich die massereichen Sterne in der Regel nicht einzeln, sondern zusammen mit einem oder sogar mehreren ebenfalls massereichen Begleitern sowie mit vielen massearmen Sternen zusammen.  

Schematische Darstellung/Animation von S106
Schematische Darstellung / Animation (bitte klicken) der S106 Region auf ein IR-Bild der Region projiziert. Copyright: M. Röllig & N. Schneider

Um dennoch die verschiedenen Prozesse und Phasen bei der Entstehung von massereichen Sternen besser verstehen zu können, hat das Team um Nicola Schneider nun die Emissionslinie des neutralen Sauerstoffs [OI] bei 63 µm mit dem G erman REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies (GREAT) an Bord von SOFIA im Sternentstehungsgebiet S106 mit hoher Frequenzgenauigkeit vermessen. Mit Hilfe der hochaufgelösten spektralen Daten, die dieses Instrument liefert, kann die Astronomin die unterschiedlichen Geschwindigkeitsverteilungen innerhalb des Gases bestimmen. Ein an diese Daten angepasstes physikalisches Modell ermöglicht dann, die räumliche Verteilung des Elements und andere wichtige physikalische Parameter (z.B. Dichte und  Temperatur) des Gesamtsystems abzuleiten. Tatsächlich bestätigen die von Nicola Schneider analysierten Daten, dass sich im Zentrum vom S106 ein massives Doppelsternsystem befindet und sich dieses Sternentstehungsgebiet in einem schnellen und dynamischen Prozess befindet, bei dem gleichzeitig Material angesammelt und ausgestoßen wird.

Komponenten des S106 Sternentstehungsgebietes
Die wichtigsten Komponenten des S106 Sternentstehungs-gebietes: Im Zentrum befindet sich der massive Doppelstern um den sich der Akkretionsfluss ‘windet’ und Material zu einem in der Entstehung befindlichen Stern transportiert. Senkrecht dazu befinden sich ionisierte Aushöhlungen ('cavities’), auch HII-Region genannt. Copyright: M. Röllig N. Schneider

Und noch ist kein Ende in Sicht: Beobachtungen mit dem 30 Meter Radioteleskop des Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM ) in der spanischen Sierra Nevada zeigen, dass immer noch große Mengen kaltes Gas ins Zentrum von S106 stürzen und dort die turbulenten Prozesse weiter antreiben. Mit Hilfe der SOFIA Daten und anstehenden Beobachtungen mit dem NOEMA Interferometer von IRAM will Nicola Schneider jetzt untersuchen, inwieweit sich beim Aufprall des heißen, ausgestoßenen Gases auf das einströmende, kalte Gas Schockfronten bilden, welche die Struktur des Sternentstehungsgebietes zusätzlich beeinflussen und verändern können, und wie wichtig Filamente als Massetransporteur beim Sternentstehungsprozess sind.

 
Einzelbilder der [OI] Linie
Die einzelnen Bilder dieser Karte zeigen wie sich die Emission von [OI] in Abhängigkeit der Geschwindigkeit veränder. Copyright: N. Schneider

In der wissenschaftlichen Veröffentlichung zu den [OI] 63 µm Beobachtungen von S106 beschreibt Nicola Schneider außerdem allgemeingültig wie sie nur mit Hilfe von Daten mit hoher spektraler Auflösung  die dreidimensionale Ionisierungs-, Dichte- und Geschwindigkeitsstruktur eines Sternentstehungsgebietes herleiten kann. Wegen der weitreichenden Bedeutung dieser modellhaften Analyse wurde ihr Artikel zum 'Highlight paper' der September-ausgabe von Astronomy and Astrophysics (A&A, 617 (2018) A45 ) gekürt.

     


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Kontakt: Dörte Mehlert, Email: mehlert@dsi.uni-stuttgart.de; Tel.:0711 - 685-69632

GREAT/upGREAT, der „German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies“, wurde durch ein Konsortium deutscher Forschungsinstitute (MPI für Radioastronomie/MPIfR, Bonn und KOSMA/Universität zu Köln, in Zusammenarbeit mit dem DLR‐Institut für Planetenforschung, Berlin, und dem MPI für Sonnensystemforschung, Göttingen) entwickelt und gebaut. Projektleiter für GREAT (PI) ist Jürgen Stutzki (Univ. Köln), stellvertretender Projektleiter (Co‐PI) ist Bernd Klein (MPIfR Bonn). Die Entwicklung des Instruments ist finanziert mit Mitteln der beteiligten Institute, der Max‐Planck‐G esellschaft, der Deutschen Forschungsgemeinschaft und des DLR.

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