Es mag so aussehen, als stünde die Sonne still, während sich die Planeten in ihrer Umlaufbahn bewegen, aber tatsächlich umkreist die Sonne die Milchstraße mit einer beeindruckenden Geschwindigkeit von etwa 220 Kilometern pro Sekunde – fast einer halben Million Meilen pro Stunde. So schnell das auch erscheinen mag, als ein blasser roter Stern entdeckt wurde, der mit auffallend hoher Geschwindigkeit den Himmel durchquerte, wurden die Wissenschaftler aufmerksam.
Dank der Bemühungen eines Citizen Science-Projekts namens Backyard Worlds: Planet 9 und eines Teams von Astronomen aus dem ganzen Land wurde ein seltener Hypervelocity-Unterzwergstern der Klasse L entdeckt, der durch die Milchstraße rast. Noch bemerkenswerter ist, dass sich dieser Stern möglicherweise auf einer Flugbahn befindet, die dazu führt, dass er die Milchstraße ganz verlässt. Die Forschung unter der Leitung von Adam Burgasser, Professor für Astronomie und Astrophysik an der University of California San Diego, wurde auf einer Pressekonferenz während der 244. nationales Treffen der American Astronomical Society (AAS) in Madison, Wisconsin.
Der Stern mit dem charmanten Namen CWISE J124909+362116.0 („J1249+36“) wurde erstmals von einigen der über 80.000 freiwilligen Wissenschaftler entdeckt, die am Projekt Backyard Worlds: Planet 9 teilnehmen und riesige Datenmengen durchforsten, die in den letzten 14 Jahren von der Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE)-Mission der NASA gesammelt wurden. Dieses Projekt nutzt die ausgeprägte Fähigkeit des Menschen, der evolutionär darauf programmiert ist, nach Mustern zu suchen und Anomalien auf eine Weise zu erkennen, die von der Computertechnologie nicht erreicht wird. Freiwillige markieren bewegte Objekte in Datendateien und wenn genügend Freiwillige dasselbe Objekt markieren, untersuchen Astronomen es.
J1249+36 fiel sofort auf, weil er sich mit einer Geschwindigkeit über den Himmel bewegt, die zunächst auf etwa 600 Kilometer pro Sekunde (1,3 Millionen Meilen pro Stunde) geschätzt wurde. Mit dieser Geschwindigkeit ist der Stern schnell genug, um der Schwerkraft der Milchstraße zu entkommen, was ihn zu einem potenziellen „Hypergeschwindigkeitsstern“ macht.
Um die Natur dieses Objekts besser zu verstehen, maß Burgasser am WM Keck Observatory auf Mauna Kea, Hawaii, dessen Infrarotspektrum. Diese Daten zeigten, dass es sich bei dem Objekt um einen seltenen L-Unterzwerg handelte – eine Klasse von Sternen mit sehr geringer Masse und Temperatur. Unterzwerge sind die ältesten Sterne in der Milchstraße.
Die Erkenntnisse über die Zusammensetzung von J1249+36 wurden durch eine Reihe neuer Atmosphärenmodelle ermöglicht, die von Roman Gerasimov, einem Absolventen der UC San Diego, entwickelt wurden. Gemeinsam mit dem UC LEADS-Stipendiaten Efrain Alvarado III arbeitete er an der Generierung von Modellen, die speziell auf die Untersuchung von L-Unterzwergen abgestimmt sind.
„Es war aufregend zu sehen, dass unsere Modelle das beobachtete Spektrum genau wiedergeben konnten“, sagte Alvarado, der seine Modellierungsarbeit auf der AAS-Tagung vorstellt.
Mithilfe der Spektraldaten sowie der Bilddaten mehrerer erdgebundener Teleskope konnte das Team die Position und Geschwindigkeit von J1249+36 im Weltraum genau messen und so seine Umlaufbahn durch die Milchstraße vorhersagen.
„Hier wurde die Quelle sehr interessant, da ihre Geschwindigkeit und Flugbahn zeigten, dass sie sich schnell genug bewegte, um möglicherweise aus der Milchstraße zu entkommen“, erklärte Burgasser.
Eine Simulation einer möglichen Erklärung für die Geschwindigkeit eines L-Unterzwergs namens CWISE J124909+362116.0 zeigt ihn als Teil eines Doppelsternpaars aus Weißen Zwergen, das mit der Explosion des Weißen Zwergs in einer Supernova endete. Bildnachweis: Adam Makarenko / WM Keck Observatory
Was hat diesem Star den Kick gegeben?
Die Forscher konzentrierten sich auf zwei mögliche Szenarien, um die ungewöhnliche Flugbahn von J1249+36 zu erklären. Im ersten Szenario war J1249+36 ursprünglich der massearme Begleiter eines Weißen Zwergs. Weiße Zwerge sind die Restkerne von Sternen, deren Kernbrennstoff aufgebraucht ist und die erloschen sind. Befindet sich ein Sternbegleiter in einer sehr engen Umlaufbahn um einen Weißen Zwerg, kann er Masse übertragen, was zu periodischen Ausbrüchen, sogenannten Novae, führt. Wenn der Weiße Zwerg zu viel Masse ansammelt, kann er kollabieren und als Supernova explodieren.
„Bei dieser Art von Supernova wird der Weiße Zwerg vollständig zerstört, sodass sein Begleiter freigesetzt wird und mit der ursprünglichen Umlaufgeschwindigkeit davonfliegt, zuzüglich eines kleinen Schubs durch die Supernova-Explosion“, sagte Burgasser. „Unsere Berechnungen zeigen, dass dieses Szenario funktioniert. Allerdings ist der Weiße Zwerg nicht mehr da und die Überreste der Explosion, die wahrscheinlich vor mehreren Millionen Jahren stattfand, haben sich bereits aufgelöst, sodass wir keinen endgültigen Beweis dafür haben, dass dies sein Ursprung ist.“
Im zweiten Szenario war J1249+36 ursprünglich Mitglied eines Kugelsternhaufens, einer eng verbundenen Ansammlung von Sternen, die sofort an ihrer ausgeprägten Kugelform zu erkennen ist. In den Zentren dieser Haufen werden Schwarze Löcher mit unterschiedlichsten Massen vermutet. Diese Schwarzen Löcher können auch Doppelsterne bilden, und solche Systeme erweisen sich als hervorragende Katapulte für Sterne, die ihnen zu nahe kommen.
„Wenn ein Stern auf ein Doppelsternsystem aus schwarzen Löchern trifft, kann die komplexe Dynamik dieser Dreikörperinteraktion diesen Stern direkt aus dem Kugelsternhaufen werfen“, erklärt Kyle Kremer, ein künftiger Assistenzprofessor in der Abteilung für Astronomie und Astrophysik der UC San Diego. Kremer führte eine Reihe von Simulationen durch und fand heraus, dass diese Art von Interaktionen in seltenen Fällen einen massearmen Unterzwerg aus einem Kugelsternhaufen werfen können und zwar auf eine ähnliche Flugbahn wie die von J1249+36.
„Es ist ein Machbarkeitsnachweis“, sagte Kremer, „aber wir wissen nicht wirklich, aus welchem Kugelsternhaufen dieser Stern stammt.“ Wenn man J1249+36 in der Zeit zurückverfolgt, befindet er sich in einem sehr überfüllten Teil des Himmels, in dem sich möglicherweise noch unentdeckte Sternhaufen verbergen.
Um festzustellen, ob eines dieser Szenarien oder ein anderer Mechanismus die Flugbahn von J1249+36 erklären kann, hofft das Team laut Burgasser, seine Elementzusammensetzung genauer untersuchen zu müssen. Wenn beispielsweise ein Weißer Zwerg explodiert, entstehen schwere Elemente, die die Atmosphäre von J1249+36 bei seiner Flucht „verschmutzt“ haben könnten. Die Sterne in Kugelsternhaufen und Satellitengalaxien der Milchstraße weisen ebenfalls unterschiedliche Häufigkeitsmuster auf, die den Ursprung von J1249+36 offenbaren könnten.
„Wir suchen im Wesentlichen nach einem chemischen Fingerabdruck, der genau bestimmen könnte, aus welchem System dieser Stern stammt“, sagte Gerasimov, dessen Modellierungsarbeiten es ihm ermöglicht haben, die Elementhäufigkeiten kühler Sterne in mehreren Kugelsternhaufen zu messen. Diese Arbeit wird er auch auf der AAS-Tagung vorstellen.
Ob die schnelle Reise von J1249+36 auf eine Supernova, eine zufällige Begegnung mit einem Doppelstern schwarzer Löcher oder ein anderes Szenario zurückzuführen ist, seine Entdeckung bietet den Astronomen eine neue Gelegenheit, mehr über die Geschichte und Dynamik der Milchstraße zu erfahren.