Das eigene Alter zu schätzen mag ein beliebtes Karnevalsspiel sein, aber für Astronomen ist es eine echte Herausforderung, das Alter von Sternen zu bestimmen. Sobald ein Stern wie unsere Sonne in eine stetige Kernfusion übergeht oder die reife Phase seines Lebens erreicht hat, verändert er sich über Milliarden von Jahren hinweg kaum. Eine Ausnahme von dieser Regel ist die Rotationsperiode des Sterns – also wie schnell er sich dreht. Durch die Messung der Rotationsperioden von Hunderttausenden Sternen verspricht das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA nach seinem Start im Mai 2027 neue Erkenntnisse über die Sternpopulationen in unserer Milchstraße.
Sterne werden geboren und drehen sich schnell. Allerdings werden Sterne mit der Masse unserer Sonne oder kleiner im Laufe der Milliarden von Jahren allmählich langsamer. Diese Verlangsamung wird durch Wechselwirkungen zwischen einem Strom geladener Teilchen, dem sogenannten Sternwind, und dem Magnetfeld des Sterns verursacht. Durch die Wechselwirkungen wird der Drehimpuls entfernt, wodurch sich der Stern langsamer dreht, ähnlich wie ein Schlittschuhläufer langsamer wird, wenn er seine Arme ausstreckt.
Dieser als magnetische Bremsung bezeichnete Effekt variiert je nach Stärke des Magnetfelds des Sterns. Schneller rotierende Sterne haben stärkere Magnetfelder, was dazu führt, dass sie schneller abbremsen. Aufgrund des Einflusses dieser Magnetfelder drehen sich Sterne gleicher Masse und gleichen Alters nach etwa einer Milliarde Jahren mit der gleichen Geschwindigkeit. Wenn Sie also die Masse und Rotationsrate eines Sterns kennen, können Sie möglicherweise sein Alter abschätzen. Indem wir das Alter einer großen Sternpopulation kennen, können wir untersuchen, wie sich unsere Galaxie im Laufe der Zeit gebildet und entwickelt hat.
Messung der Sternrotation
Wie messen Astronomen die Rotationsgeschwindigkeit eines fernen Sterns? Sie suchen nach Veränderungen in der Helligkeit des Sterns aufgrund von Sternflecken. Sternflecken sind, wie Sonnenflecken auf unserer Sonne, kühlere, dunklere Flecken auf der Oberfläche eines Sterns. Wenn ein Sternfleck sichtbar ist, ist der Stern etwas dunkler, als wenn sich der Fleck auf der anderen Seite des Sterns befindet.
Wenn ein Stern einen einzigen großen Fleck hat, würde er ein regelmäßiges Muster aus Verdunkelung und Aufhellung erfahren, wenn der Fleck ins Sichtfeld hinein- und wieder herausrotiert. (Diese Verdunkelung kann von einem ähnlichen Effekt unterschieden werden, der durch einen vorbeiziehenden Exoplaneten verursacht wird.) Aber ein Stern kann gleichzeitig Dutzende von Flecken auf seiner Oberfläche verstreut haben, und diese Flecken variieren im Laufe der Zeit, was es viel schwieriger macht, periodische Flecken herauszufiltern Signale der Verdunkelung durch die Rotation des Sterns.
Dieser Zeitrafferfilm aus dem Jahr 2001 zeigt die sichtbare Oberfläche oder Photosphäre der Sonne, während sich unser Stern mehrmals dreht. Gruppen von Sonnenflecken entstehen, wachsen und schrumpfen im Laufe der Zeit. Es wird erwartet, dass sich auch Flecken auf entfernten Sternen entwickeln, was die Bestimmung der Rotationsperiode des Sterns erschwert. Dieser Film wurde mit dem Michelson Doppler Imager-Instrument auf SOHO, dem Solar and Heliospheric Observatory, aufgenommen. Bildnachweis: NASA
Künstliche Intelligenz anwenden
Ein Team von Astronomen an der University of Florida entwickelt neue Techniken, um aus Messungen der Helligkeit eines Sterns im Zeitverlauf eine Rotationsperiode zu extrahieren.
Sie verwenden eine Art künstlicher Intelligenz, die als Faltungs-Neuronales Netzwerk bekannt ist, um Lichtkurven oder Diagramme der Helligkeit eines Sterns über die Zeit zu analysieren. Dazu muss das neuronale Netz zunächst an simulierten Lichtkurven trainiert werden. Der Postdoktorand der University of Florida, Zachary Claytor, der wissenschaftliche Hauptforscher des Projekts, hat ein Programm namens „butterpy“ geschrieben, um solche Lichtkurven zu erzeugen.
„Mit diesem Programm kann der Benutzer eine Reihe von Variablen festlegen, wie die Rotationsgeschwindigkeit des Sterns, die Anzahl der Flecken und die Lebensdauer der Flecken. Anschließend berechnet es, wie Flecken entstehen, sich entwickeln und zerfallen, während sich der Stern dreht, und wandelt diese Fleckenentwicklung in a um Lichtkurve – was wir aus der Ferne messen würden“, erklärte Claytor.
Das Team hat sein trainiertes neuronales Netzwerk bereits auf Daten des TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) der NASA angewendet. Systematische Effekte erschweren die genaue Messung längerer Sternrotationsperioden, doch das trainierte neuronale Netzwerk des Teams war in der Lage, diese längeren Rotationsperioden mithilfe der TESS-Daten genau zu messen.
Romans Sternumfrage
Das kommende römische Weltraumteleskop wird im Rahmen seines Galactic Bulge Time Domain Survey, einer von drei zentralen Community-Umfragen, die es durchführen wird, Daten von Hunderten Millionen Sternen sammeln. Roman wird in Richtung des Zentrums unserer Galaxie blicken – einer Region voller Sterne – um zu messen, wie viele dieser Sterne sich im Laufe der Zeit in ihrer Helligkeit ändern. Diese Messungen werden vielfältige wissenschaftliche Untersuchungen ermöglichen, von der Suche nach entfernten Exoplaneten bis hin zur Bestimmung der Rotationsraten der Sterne.
Das spezifische Vermessungsdesign wird von der astronomischen Gemeinschaft noch entwickelt. Die Studie zur Sternrotation verspricht, als Grundlage für mögliche Erforschungsstrategien zu dienen.
„Wir können anhand unterschiedlicher Vermessungsstrategien testen, welche Dinge wichtig sind und was wir aus den römischen Daten herausholen können. Wenn wir die Daten also tatsächlich erhalten, haben wir bereits einen Plan“, sagte Jamie Tayar, Assistenzprofessor für Astronomie an der Universität University of Florida und Hauptforscher des Programms.
„Wir verfügen bereits über viele Tools und glauben, dass sie an Roman angepasst werden können“, fügte sie hinzu.