ALMA-Beobachtungen zeigen, wie in einer Molekülwolke gleichzeitig Doppel-, Dreifach-, Vierfach- und Fünffachsternsysteme entstehen

Beim Menschen liegt die Wahrscheinlichkeit, Mehrlinge zur Welt zu bringen, bei weniger als 2 %. Anders verhält es sich bei Sternen, insbesondere bei besonders schweren Sternen. Astronomen beobachten Sterne, die um ein Vielfaches schwerer sind als die Sonne, in mehr als 80 % der Fälle in Doppel- oder Mehrfachsystemen. Die entscheidende Frage ist, ob sie auch als Mehrlinge geboren wurden oder ob Sterne einzeln geboren werden und sich mit der Zeit einander annähern.

Mehrlingsgeburten sind bei massereichen Sternen seit langem die Norm. Zumindest am Computer, denn in theoretischen Simulationen neigen riesige Gas- und Staubwolken dazu, zu kollabieren und mehrere Systeme massereicher Sterne zu bilden. Diese Simulationen stellen einen hierarchischen Prozess dar, bei dem größere Wolkenteile sich zusammenziehen, um dichtere Kerne zu bilden, und kleinere Regionen innerhalb dieser „Mutterkerne“ kollabieren, um die einzelnen Sterne zu bilden: massereiche Sterne, aber auch zahlreiche weniger massereiche Sterne.

Und Astronomen finden tatsächlich eine Fülle vollständig ausgebildeter Mehrfachsternsysteme, insbesondere Sterne, die ein Vielfaches mehr wiegen als die Sonne. Dies beweist jedoch noch nicht, dass sich in der Urwolke bereits mehrere Systeme mit massereichen Sternen bilden, wie in Simulationen vorhergesagt.

ALMA beobachtet einen massereichen Sternhaufen

Systematische Beobachtungen mit dem ALMA-Radioobservatorium, einem Netzwerk empfindlicher Radioteleskope, die das kalte molekulare Gas, aus dem Sterne entstehen, mit sehr hoher Auflösung beobachten können, haben nun erstmals gezeigt, dass die Computersimulationen korrekt sind. Die Bilder des ALMA-Teleskops zeigen, dass aus einer einzelnen Molekülwolke nicht nur Doppelsternsysteme entstehen. Sie beobachten die Anfänge einer Fülle unterschiedlicher Mehrfachsysteme. In einer solchen Mischung ist vermutlich auch unsere Sonne entstanden.

Es ist sehr schwierig, Sternentstehungsgebiete ausreichend detailliert zu beobachten. Bis zu diesem Zeitpunkt konnten Beobachtungen nur wenige Kandidaten für isolierte Vielfache in massereichen Sternhaufen zeigen, aber nichts, was mit der in den Simulationen vorhergesagten wimmelnden Menge an Vielfachen vergleichbar wäre.

Um die aktuellen Modelle der Entstehung massereicher Sterne zu bestätigen oder auszuschließen, war klar, dass detailliertere Beobachtungen erforderlich waren. Dies wurde möglich, als das ALMA-Observatorium in Chile seinen Betrieb aufnahm. In seiner jetzigen Form vereint ALMA bis zu 66 Radioantennen zu einem einzigen gigantischen Radioteleskop und ermöglicht Radiobeobachtungen, die äußerst kleine Details zeigen.

Unter der Leitung von Patricio Sanhueza vom japanischen Nationalobservatorium NAOJ und der Graduate University for Advanced Studies in Tokio sowie mehreren Forschern des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg machte sich eine Gruppe von Astronomen auf den Weg, 30 vielversprechende massereiche Sternentstehungsregionen mit zu beobachten ALMA zwischen 2016 und 2019.

Die Analyse der Daten stellte eine große Herausforderung dar und dauerte mehrere Jahre. Jede einzelne Beobachtung liefert etwa 800 GB an Daten, und die Rekonstruktion von Bildern aus den Beiträgen aller verschiedenen Antennen ist ein komplexer Prozess.

Das nun veröffentlichte Ergebnis basiert auf der Analyse einer der Sternentstehungsregionen, die die Katalognummer G333.23–0.06 trägt. Die Analyse wurde von Shanghuo Li vom MPIA geleitet, der auch der Hauptautor des nun erschienenen Papiers ist veröffentlicht In Naturastronomie. Der Titel lautet „Observations of high-order multiplicity in a high-mass stellar protocluster“.

Die resultierenden rekonstruierten Bilder sind bemerkenswert: Sie zeigen Details bis zu etwa zweihundert Astronomischen Einheiten (200-fache Entfernung Erde-Sonne) für eine große Region mit einem Durchmesser von etwa 200.000 Astronomischen Einheiten.

Wie Sterne entstehen

Die Ergebnisse sind hervorragende Neuigkeiten für das aktuelle Bild der Entstehung massereicher Sterne. In G333.23–0.06 fanden Li und seine Kollegen vier binäre Protosterne, ein Dreifach-, ein Vierfach- und ein Fünffachsystem – was den Erwartungen entsprach. Tatsächlich untermauern die Beobachtungen der Umgebung ein bestimmtes Szenario für die Entstehung massereicher Sterne. Sie liefern Hinweise auf eine hierarchische Sternentstehung, bei der die Gaswolke zunächst in „Kerne“ mit erhöhter Gasdichte fragmentiert und jeder Kern dann in ein System mit mehreren Protosternen fragmentiert.

Henrik Beuther, der die Gruppe Sternentstehung in der Abteilung Planeten- und Sternentstehung am Max-Planck-Institut für Astronomie leitet, sagt: „Endlich konnten wir einen detaillierten Blick auf die reiche Vielfalt an Mehrfachsternsystemen in einer massereichen Sternentstehung werfen.“ Besonders spannend ist, dass die Beobachtungen sogar Hinweise auf ein bestimmtes Szenario für die Entstehung massereicher Sterne liefern.“

Shanghuo Li, Astronom am Max-Planck-Institut für Astronomie und Erstautor der aktuellen Publikation, fügt hinzu: „Unsere Beobachtungen scheinen darauf hinzudeuten, dass sich die Vielfachen sehr früh bilden, wenn die Wolke kollabiert. Aber ist das wirklich der Fall? Analysen weiterer.“ Sternentstehungsregionen, von denen einige jünger als G333,23–0,06 sind, sollten uns die Antwort geben.“

Konkret arbeiten die Astronomen derzeit an einer ähnlichen Analyse für die weiteren 29 massereichen Sternentstehungsregionen, die sie beobachtet hatten – bald werden noch 20 weitere hinzukommen, wobei neue ALMA-Beobachtungen von Li geleitet werden. Dies sollte weiterreichende Statistiken über die Eigenschaften solcher Regionen und Einblicke in die Entwicklung der Vielfachen ermöglichen. Aber selbst mit den vorliegenden Ergebnissen ist die Rolle von Vielfachen bei der Entstehung massereicher Sterne mittlerweile fest in der Beobachtung verankert.

Riesige Explosionen und die Erschütterung der Raumzeit

Von besonderem Interesse für Astronomen sind massereiche Sterne mit mehr als der achtfachen Sonnenmasse, die Mehrfachsternsysteme bilden: Die massereichsten Sterne leuchten viel heller als unsere Sonne und gehen verschwenderisch mit ihrer Energieversorgung um. Sie sterben bis zu tausendmal früher als Sterne mit geringerer Masse wie unsere Sonne.

Wenn das Sternensystem nach dem Tod der Sterne durch Supernova-Explosionen gebunden bleibt, bleiben Neutronensterne und Schwarze Löcher zurück und umkreisen einander. Wenn Schwarze Löcher verschmelzen, senden sie Gravitationswellen aus, die seit einigen Jahren von Detektoren gemessen werden können. Besonders spannend sind auch Kollisionen von Neutronensternen. In solchen Kilonovae entstehen nachweislich die schwersten uns bekannten Elemente wie Gold.