Enthüllung des Ursprungs unerwarteter Unterschiede in riesigen Doppelsternen

Mit dem Gemini-South-Teleskop hat ein Team von Astronomen erstmals bestätigt, dass Unterschiede in der Zusammensetzung von Doppelsternen auf chemische Variationen in der Wolke aus Sternmaterial zurückzuführen sind, aus der sie entstanden sind. Die Ergebnisse helfen zu erklären, warum Sterne, die aus derselben Molekülwolke entstehen, eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung haben und unterschiedliche Planetensysteme beherbergen können, und stellen außerdem Herausforderungen für aktuelle Stern- und Planetenentstehungsmodelle dar.

Schätzungen zufolge existieren bis zu 85 % der Sterne in Doppelsternsystemen, einige sogar in Systemen mit drei oder mehr Sternen. Diese Sternpaare werden zusammen aus derselben Molekülwolke aus einer gemeinsamen Fülle chemischer Bausteine ​​geboren, sodass Astronomen erwarten würden, dass sie nahezu identische Zusammensetzungen und Planetensysteme aufweisen.

Bei vielen Binärdateien ist dies jedoch nicht der Fall. Während einige vorgeschlagene Erklärungen diese Unähnlichkeiten auf Ereignisse zurückführen, die nach der Sternentstehung stattfanden, hat ein Team von Astronomen zum ersten Mal bestätigt, dass sie tatsächlich aus der Zeit stammen können, bevor die Sterne überhaupt zu entstehen begannen.

Unter der Leitung von Carlos Saffe vom Institut für Astronomie, Geo- und Weltraumwissenschaften (ICATE-CONICET) in Argentinien nutzte das Team das Gemini South-Teleskop in Chile, eine Hälfte des Internationalen Gemini-Observatoriums.

Mit dem neuen, präzisen Gemini High-Resolution Optical Spectrograph (GHOST) untersuchte das Team die verschiedenen Wellenlängen des Lichts oder die Spektren, die von einem Paar Riesensterne abgegeben werden, und zeigte dabei erhebliche Unterschiede in ihrer chemischen Zusammensetzung.

„Die extrem hochwertigen Spektren von GHOST boten eine beispiellose Auflösung“, sagte Saffe, „und erlaubten uns, die Sternparameter und chemischen Häufigkeiten der Sterne mit höchstmöglicher Präzision zu messen.“ Diese Messungen ergaben, dass ein Stern eine höhere Häufigkeit schwerer Elemente aufwies als der andere. Um den Ursprung dieser Diskrepanz zu entschlüsseln, nutzte das Team einen einzigartigen Ansatz.

Frühere Studien haben drei mögliche Erklärungen für die beobachteten chemischen Unterschiede zwischen Doppelsternen vorgeschlagen. Bei zwei davon handelt es sich um Prozesse, die bis weit in die Entwicklung der Sterne hinein ablaufen würden: Atomdiffusion oder die Ablagerung chemischer Elemente in Gradientenschichten, abhängig von der Temperatur und der Oberflächengravitation jedes Sterns, und die Verschlingung eines kleinen, felsigen Planeten, der Chemikalien einbringen würde Variationen in der Zusammensetzung eines Sterns.

Die dritte mögliche Erklärung blickt auf den Beginn der Sternentstehung zurück und legt nahe, dass die Unterschiede auf ursprüngliche oder bereits existierende Bereiche der Ungleichmäßigkeit innerhalb der Molekülwolke zurückzuführen sind. Einfacher ausgedrückt: Wenn die Molekülwolke eine ungleichmäßige Verteilung chemischer Elemente aufweist, haben die in dieser Wolke geborenen Sterne eine unterschiedliche Zusammensetzung, je nachdem, welche Elemente am Ort ihrer Entstehung verfügbar waren.

Bisher kamen Studien zu dem Schluss, dass alle drei Erklärungen wahrscheinlich sind; Diese Studien konzentrierten sich jedoch ausschließlich auf Hauptsequenz-Binärdateien. Die „Hauptreihe“ ist das Stadium, in dem ein Stern den größten Teil seiner Existenz verbringt, und die meisten Sterne im Universum sind Hauptreihensterne, einschließlich unserer Sonne.

Stattdessen beobachteten Saffe und sein Team einen Doppelstern, der aus zwei Riesensternen bestand. Diese Sterne besitzen extrem tiefe und stark turbulente Außenschichten oder Konvektionszonen. Aufgrund der Eigenschaften dieser dicken Konvektionszonen konnte das Team zwei der drei möglichen Erklärungen ausschließen.

Die kontinuierliche Verwirbelung der Flüssigkeit innerhalb der Konvektionszone würde es dem Material erschweren, sich in Schichten abzulagern, was bedeutet, dass Riesensterne weniger empfindlich auf die Auswirkungen der Atomdiffusion reagieren – was die erste Erklärung ausschließt. Die dicke äußere Schicht bedeutet auch, dass eine Planeteneinhüllung die Zusammensetzung eines Sterns nicht wesentlich verändern würde, da das aufgenommene Material schnell verdünnt würde – was die zweite Erklärung ausschließt.

Dies lässt primäre Inhomogenitäten innerhalb der Molekülwolke als bestätigte Erklärung übrig. „Dies ist das erste Mal, dass Astronomen bestätigen konnten, dass Unterschiede zwischen Doppelsternen bereits in den frühesten Stadien ihrer Entstehung beginnen“, sagte Saffe.

„Mithilfe der Präzisionsmessfunktionen des GHOST-Instruments sammelt Gemini South nun Beobachtungen von Sternen am Ende ihres Lebens, um die Umgebung aufzudecken, in der sie geboren wurden“, sagt Martin Still, NSF-Programmdirektor für das International Gemini Observatory . „Dies gibt uns die Möglichkeit zu erforschen, wie die Bedingungen, unter denen Sterne entstehen, ihre gesamte Existenz über Millionen oder Milliarden Jahre hinweg beeinflussen können.“

Drei Konsequenzen dieser Studie sind von besonderer Bedeutung. Erstens bieten diese Ergebnisse eine Erklärung dafür, warum Astronomen Doppelsterne mit so unterschiedlichen Planetensystemen sehen. „Verschiedene Planetensysteme könnten sehr unterschiedliche Planeten bedeuten – felsige, erdähnliche Planeten, Eisriesen, Gasriesen –, die ihre Muttersterne in unterschiedlichen Entfernungen umkreisen und bei denen das Potenzial zur Unterstützung von Leben sehr unterschiedlich sein könnte“, sagte Saffe.

Zweitens stellen diese Ergebnisse eine entscheidende Herausforderung für das Konzept der chemischen Markierung dar – die Verwendung der chemischen Zusammensetzung zur Identifizierung von Sternen, die aus derselben Umgebung oder Sternkinderstube stammen –, indem sie zeigen, dass Sterne mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung immer noch denselben Ursprung haben können.

Abschließend müssen die beobachteten Unterschiede überprüft werden, die früher auf Planeteneinschläge auf die Oberfläche eines Sterns zurückgeführt wurden, da man nun davon ausgehen kann, dass sie bereits seit Beginn des Lebens des Sterns vorhanden waren.

„Indem wir zum ersten Mal zeigen, dass urzeitliche Unterschiede tatsächlich vorhanden und für Unterschiede zwischen Zwillingssternen verantwortlich sind, zeigen wir, dass die Sternen- und Planetenentstehung komplexer sein könnte als zunächst angenommen“, sagte Saffe. „Das Universum liebt Vielfalt.“

Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Astronomie und Astrophysik.