Alte Sterne sind möglicherweise die besten Orte, um nach Leben zu suchen

Es war einmal eine kosmische Zeit, in der Wissenschaftler davon ausgingen, dass Sterne eine ewige magnetische Bremse betätigen, die zu einer endlosen Verlangsamung ihrer Rotation führt. Mit neuen Beobachtungen und ausgefeilten Methoden haben sie nun einen Blick in die magnetischen Geheimnisse eines Sterns geworfen und herausgefunden, dass diese nicht ihren Erwartungen entsprechen. Die kosmischen Hotspots für die Suche nach außerirdischen Nachbarn könnten sich in der Nähe von Sternen befinden, die ihre Midlife-Crisis oder darüber hinaus erleben.

Diese bahnbrechende Studie beleuchtet magnetische Phänomene und bewohnbare Umgebungen veröffentlicht In Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.

Im Jahr 1995 gaben die Schweizer Astronomen Michael Mayor und Didier Queloz die erste Entdeckung eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems bekannt, der einen entfernten sonnenähnlichen Stern namens 51 Pegasi umkreist. Seitdem wurden mehr als 5.500 sogenannte Exoplaneten gefunden, die andere Sterne in unserer Galaxie umkreisen, und 2019 erhielten die beiden Wissenschaftler für ihre bahnbrechende Arbeit gemeinsam den Nobelpreis für Physik. Diese Woche veröffentlichte ein internationales Astronomenteam neue Beobachtungen von 51 Pegasi, die darauf hindeuten, dass die aktuelle magnetische Umgebung um den Stern besonders günstig für die Entwicklung komplexen Lebens sein könnte.

Sterne wie die Sonne entstehen bei ihrer Entstehung schnell rotierend, wodurch ein starkes Magnetfeld entsteht, das heftig ausbrechen und ihre Planetensysteme mit geladenen Teilchen und schädlicher Strahlung bombardieren kann. Im Laufe von Milliarden von Jahren verlangsamt sich die Rotation des Sterns allmählich, da sein Magnetfeld durch einen von seiner Oberfläche ausgehenden Wind mitgerissen wird. Dieser Vorgang wird als magnetische Bremsung bezeichnet. Die langsamere Rotation erzeugt ein schwächeres Magnetfeld und beide Eigenschaften nehmen weiter ab, wobei sie sich gegenseitig beeinflussen.

Bis vor Kurzem gingen Astronomen davon aus, dass die magnetische Bremsung auf unbestimmte Zeit anhält, doch neue Beobachtungen beginnen, diese Annahme in Frage zu stellen.

„Wir schreiben die Lehrbücher darüber, wie sich Rotation und Magnetismus in älteren Sternen wie der Sonne über die Mitte ihrer Lebensdauer hinaus ändern, neu“, sagt Teamleiter Travis Metcalfe, ein leitender Forschungswissenschaftler bei der White Dwarf Research Corporation in Golden, Colorado, USA. „Unsere Ergebnisse.“ haben wichtige Konsequenzen für Sterne mit Planetensystemen und ihre Aussichten für die Entwicklung fortgeschrittener Zivilisationen.“

Klaus Strassmeier, Direktor am Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam und Mitautor der Studie, fügt hinzu: „Das liegt daran, dass die geschwächte magnetische Bremsung auch den Sternwind drosselt und verheerende Eruptionsereignisse weniger wahrscheinlich macht.“

Das Team aus Astronomen aus den Vereinigten Staaten und Europa kombinierte Beobachtungen von 51 Pegasi vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA mit hochmodernen Messungen seines Magnetfelds vom Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona mithilfe des Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI).

Obwohl der Exoplanet, der 51 Pegasi umkreist, von der Erde aus gesehen nicht an seinem Mutterstern vorbeizieht, zeigt der Stern selbst in den TESS-Beobachtungen subtile Helligkeitsschwankungen, die zur Messung des Radius, der Masse und des Alters des Sterns verwendet werden können – eine bekannte Technik als Asteroseismologie.

Unterdessen prägt das Magnetfeld des Sterns dem Sternenlicht eine kleine Polarisation ein, sodass PEPSI am LBT eine magnetische Karte der Sternoberfläche erstellen kann, während sich der Stern dreht – eine Technik, die als Zeeman-Doppler-Bildgebung bekannt ist. Zusammengenommen ermöglichten diese Messungen dem Team, die aktuelle magnetische Umgebung um den Stern herum zu bewerten.

Frühere Beobachtungen mit dem Kepler-Weltraumteleskop der NASA deuteten bereits darauf hin, dass die magnetische Bremsung jenseits des Alters der Sonne erheblich schwächer werden könnte, wodurch die enge Beziehung zwischen Rotation und Magnetismus bei älteren Sternen unterbrochen würde. Der Beweis für diese Veränderung war jedoch indirekt und stützte sich auf Messungen der Rotationsrate von Sternen unterschiedlichen Alters. Es war klar, dass die Rotation etwa im Alter der Sonne (4,5 Milliarden Jahre) aufhörte, sich zu verlangsamen, und dass eine abgeschwächte magnetische Bremsung in älteren Sternen dieses Verhalten reproduzieren könnte.

Allerdings können nur direkte Messungen des Magnetfelds eines Sterns die zugrunde liegenden Ursachen klären, und die von Kepler beobachteten Ziele waren für LBT-Beobachtungen zu schwach. Die TESS-Mission begann 2018 mit der Erfassung von Messungen – ähnlich wie Keplers Beobachtungen, jedoch für die nächsten und hellsten Sterne am Himmel, darunter 51 Pegasi.

In den letzten Jahren begann das Team, PEPSI am LBT zu nutzen, um die Magnetfelder mehrerer TESS-Ziele zu messen und so nach und nach ein neues Verständnis darüber zu entwickeln, wie sich der Magnetismus in Sternen wie der Sonne verändert, wenn sie älter werden. Die Beobachtungen ergaben, dass sich die magnetische Bremsung bei Sternen, die etwas jünger als die Sonne sind, plötzlich ändert, zu diesem Zeitpunkt mehr als zehnmal schwächer wird und mit zunehmendem Alter der Sterne weiter abnimmt.

Das Team führte diese Veränderungen auf eine unerwartete Verschiebung der Stärke und Komplexität des Magnetfelds und den Einfluss dieser Verschiebung auf den Sternwind zurück. Die neu gemessenen Eigenschaften von 51 Pegasi zeigen, dass es – genau wie unsere eigene Sonne – diesen Übergang zur abgeschwächten magnetischen Bremsung bereits durchlaufen hat.

„Es ist sehr erfreulich, dass LBT und PEPSI eine neue Perspektive auf dieses Planetensystem eröffnen konnten, das eine so zentrale Rolle in der Exoplanetenastronomie spielte“, sagt Strassmeier, Hauptforscher des PEPSI-Spektrographen. „Diese Forschung ist ein wichtiger Schritt vorwärts bei der Suche nach Leben in unserer Galaxie.“

In unserem eigenen Sonnensystem fand der Übergang des Lebens von den Ozeanen auf das Land vor mehreren hundert Millionen Jahren statt und fiel mit der Zeit zusammen, als die magnetische Bremswirkung in der Sonne nachließ. Junge Sterne bombardieren ihre Planeten mit Strahlung und geladenen Teilchen, die der Entwicklung komplexen Lebens entgegenstehen, ältere Sterne scheinen jedoch eine stabilere Umgebung zu bieten. Laut Metcalfe deuten die Ergebnisse des Teams darauf hin, dass die besten Orte für die Suche nach Leben außerhalb unseres Sonnensystems in der Nähe von Sternen mittleren Alters und älter liegen könnten.