RR-Lyrae-Sterne sind alte, pulsierende Sterne, die in ihren Kernen Helium als Brennstoff verbrennen. Ihre Vorfahren ähnelten unserer Sonne, sind aber heute viel größer und heller als unsere Sonne. Wir kennen Hunderttausende RR Lyrae-Sterne in der Milchstraße und können sie nutzen, um zu untersuchen, wie sich unsere Galaxie seit ihrer Entstehung entwickelt hat. Eine grundlegende Messung ist den Astronomen jedoch bisher entgangen: Es gab keine zuverlässige Möglichkeit, die Massen von RR-Lyrae-Sternen zu bestimmen – bis jetzt.
RR-Lyrae-Sterne sind auch pulsierende Sterne, deren Pulsationen von einem „Sternmotor“ angetrieben werden, der als Kappa-Mechanismus bekannt ist: ein Prozess, bei dem eine unterirdische Schicht im Inneren des Sterns, die teilweise ionisiertes Helium enthält, die Energiemenge moduliert, die den Sternkern verlassen kann . Diese Schicht fungiert als Wärmemaschine, sodass sich die Hüllen pulsierender Sterne periodisch ausdehnen und zusammenziehen, während sich Wellen durch ihr Inneres ausbreiten. Dieses Phänomen wird von Astronomen als periodische Helligkeitsänderungen beobachtet.
Die Art der Wellen, die sich durch einen bestimmten Stern ausbreiten, hängt von den physikalischen Bedingungen im Inneren des Sterns ab. Dadurch können wir die inneren Eigenschaften eines Sterns anhand seiner Pulsationen untersuchen, ähnlich wie wir das Innere der Erde durch Seismologie untersuchen. Bei Sternen nennt man dieses Fachgebiet Asteroseismologie.
Viele Jahre lang galten RR-Lyrae-Sterne als einfache radiale Pulsatoren: Sterne, deren sphärische Symmetrie während der Pulsation erhalten bleibt. Da nur zwei Pulsationsmodi vorhanden waren, war es nicht möglich, sie mithilfe der Asteroseismologie zu untersuchen, die die Identifizierung mehrerer Pulsationsmodi erfordert.
Im letzten Jahrzehnt haben jedoch hervorragende boden- und weltraumgestützte Beobachtungen unsere Sicht auf RR Lyrae-Sterne revolutioniert. Solche modernen Beobachtungen haben gezeigt, dass RR-Lyrae-Sterne zusätzliche, nichtradiale Periodizitäten aufweisen können, nur mit sehr kleinen Amplituden.
Der Ursprung dieser Moden war lange Zeit unbekannt, aber die wachsende Zahl von Sternen, die diese Periodizitäten aufweisen, erleichterte die Entwicklung einer Hypothese, dass die beobachteten Signale auf nichtradiale Pulsationsmoden des Grades 8 oder 9 zurückzuführen seien. Das bedeutet, dass 8 oder 9 Knotenlinien unterteilen die Oberfläche in separate Zonen. Bisher wurde angenommen, dass Moden in solchen Graden für entfernte Sterne nicht beobachtbar seien.
Dennoch ermöglichten diese neu identifizierten Pulsationsmodi die Anwendung asteroseismischer Methoden zur Untersuchung von RR-Lyrae-Sternen und insbesondere zur Lösung des seit langem bestehenden Problems der Massenmessungen. Glücklicherweise können mit diesen zusätzlichen nichtradialen Moden, wenn die Theorie stimmt, die Massen von RR Lyrae-Sternen mithilfe der Asteroseismologie geschätzt werden.
Dieses Massenbestimmungsverfahren wurde von Dr. erfolgreich durchgeführt. Henryka Netzel, László Molnár und Meridith Joyce, Forscher am Konkoly-Observatorium in Budapest, Ungarn, für sieben gut begrenzte RR Lyrae-Sterne. Sie kombinierten hochpräzise Beobachtungen der Weltraumteleskope Kepler, TESS und Gaia mit theoretischen Modellen der Sternpulsationen dieser Sterne, um die Theorie hinter den hochgradigen Moden in RR-Lyrae-Sternen zu testen.
Mithilfe unabhängiger Beobachtungen ermittelten sie Einschränkungen für physikalische Parameter wie die beobachtete Helligkeit oder Metallizität dieser Sterne. Anschließend berechneten sie mit dem MESA-RSP-Sternpulsationscode ein Raster theoretischer Modelle von RR-Lyrae-Sternen entlang verschiedener Parameter (wie Leuchtkraft, Metallizität, Temperatur und vor allem Masse) und testeten, ob solche Modelle Pulsationen zeigen würden und, wenn Also, wie wären die Pulsationsperioden der verschiedenen Modi?
Die Ergebnisse wurden von der Hauptautorin Dr. Netzel (jetzt Postdoktorandin an der EPFL in Lausanne, Schweiz) und ihren Kollegen in der Zeitschrift veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Societyzeigen, dass Periodizitäten in RR Lyrae-Sternen mithilfe der vorgeschlagenen Identifizierung nichtradialer Moden von 8–9 Grad erfolgreich reproduziert werden können.
Den Autoren gelang es, asteroseismische Massen für die untersuchten Sterne im Bereich von 0,5 bis 0,85 Sonnenmassen abzuleiten, was gut mit den Vorhersagen von Sternentwicklungsmodellen und anderen indirekten Mitteln zur Massenschätzung übereinstimmt. Sie planen nun, diese Forschung auszuweiten und diese neue Methode zu verwenden, um Massen für andere RR-Lyrae-Pulsatoren zu bestimmen und sie mit den Massen von Sternen in Entwicklungsphasen vor und nach dem RR-Lyrae-Stadium des Sternlebens zu vergleichen.
Mehr Informationen:
H. Netzel et al., Detaillierte asteroseismische Modellierung von RR-Lyrae-Sternen mit nichtradialen Moden, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad2611