Rote Überriesensterne blubbern und schäumen so sehr, dass ihre Position am Himmel herumzutanzen scheint

Das Erstellen einer 3D-Karte unserer Galaxie wäre einfacher, wenn sich einige Sterne lange genug verhalten würden, um die Entfernung zu ihnen zu berechnen. Rote Überriesen sind jedoch die munteren Kinder auf dem Block, wenn es darum geht, ihre genauen Standorte festzulegen. Das liegt daran, dass sie herumzutanzen scheinen, was es schwierig macht, ihren Platz im Weltraum zu bestimmen. Dieses Wackeln ist ein Merkmal, kein Fehler, dieser massiven alten Sterne, und Wissenschaftler wollen verstehen, warum.

Wie bei anderen herausfordernden Objekten in der Galaxie haben sich Astronomen also Computermodellen zugewandt, um herauszufinden, warum. Darüber hinaus verwenden sie Positionsmessungen der Gaia-Mission, um herauszufinden, warum rote Überriesen zu tanzen scheinen.

Rote Überriesen verstehen

Die Population der Roten Überriesen hat mehrere gemeinsame Merkmale. Das sind Sterne, die mindestens die achtfache Masse der Sonne haben – sie sind riesig. Ein typischer Durchmesser beträgt mindestens das 700- bis 1.000-fache des Sonnendurchmessers. Mit 3500 K sind sie viel kühler als unser ~6000-K-Stern, obwohl es schwierig ist, diese Temperaturen zu messen. Sie sind superhell im Infrarotlicht, aber dunkler im sichtbaren Licht als andere Sterne. Sie variieren auch in ihrer Helligkeit, was (für einige von ihnen) mit dieser Tanzbewegung zusammenhängen könnte. Mehr dazu gleich.

Wenn die Sonne ein roter Überriese wäre, gäbe es die Erde nicht. Das liegt daran, dass die Atmosphäre des Sterns den Mars erreicht und unseren Planeten verschluckt hätte. Die bekanntesten Beispiele dieser stellaren Ungetüme sind Beteigeuze und Antares. Rote Überriesen gibt es in der ganzen Galaxie. Es gibt eine Population von ihnen, die Sie nachts in einem nahe gelegenen Cluster namens Chi Persei sehen können. Es ist Teil des bekannten Doppelclusters.

Die Struktur der roten Überriesen

Wir haben also diese Population von Sternen, die sich nicht wie erwartet verhalten und sich nicht für einfache Messungen eignen. Warum ist das so? Sie haben sich so stark ausgedehnt, dass sie am Ende eine sehr geringe Oberflächengravitation haben. Aus diesem Grund werden ihre Konvektionszellen (die Strukturen, die Wärme von innen an die Oberfläche transportieren) ziemlich groß. Eine Zelle bedeckt bis zu 20–30 % des Radius des Sterns. Das „unterbricht“ tatsächlich die Helligkeit des Sterns.

Die Konvektion transportiert nicht nur Wärme von innen nach außen, sondern hilft dem Stern auch, Material in den nahen Weltraum auszustoßen. Und wir reden auch nicht über kleine Gas- und Plasmawolken. Ein Roter Überriese kann eine Milliarde Mal mehr Masse in den Weltraum schicken als die Sonne. All diese Aktionen lassen den Stern schaumig erscheinen und als ob seine Oberfläche wahnsinnig kocht. Im Wesentlichen lässt es die Position des Sterns am Himmel tanzen.

Rote Überriesen im großen Schema der Dinge

Rotes Überriesenmaterial wird Teil des chemischen „Inventars“ von Galaxien. Die Elemente, die diese Sterne erschaffen, werden zu neuen Sternen und Welten. Es hilft also, ein gutes Verständnis dafür zu bekommen, wie diese Sterne im Laufe ihres Lebens an Masse verlieren. All dies ist Teil des Verständnisses der Sternentwicklung in der Milchstraße und ihrer Auswirkungen auf die kosmische Umgebung. Aus diesem Grund wollen Astronomen die Gesamtmasse verfolgen, die diese alternden Sterne in den Weltraum blasen. Sie messen auch die stellare Windgeschwindigkeit und berechnen die Geometrie der Wolke aus „Sternenmaterial“, die einen roten Überriesen umhüllt.

Was hat das nun mit der Tanzaktion zu tun? Nun, das Kochen der Konvektionszellen und der Aufbau einer Materialhülle um den Stern herum trägt zu seiner Variabilität bei. Das heißt, es beeinflusst seine Helligkeit im Laufe der Zeit.

Eine Methode, mit der Astronomen die genaue Position eines Sterns bestimmen, ist die Verwendung seines „Fotozentrums“. Das ist das Lichtzentrum des Sterns. Wenn die Helligkeit des Sterns variiert (aus welchen Gründen auch immer), verschiebt sich dieses Fotozentrum. Es wird nicht mit dem Baryzentrum übereinstimmen. (Das ist der gemeinsame Schwerpunkt zwischen dem Stern und dem Rest seines Systems. Er ist eine Komponente bei Entfernungsmessungen.) Im Wesentlichen ändert sich das Fotozentrum, wenn sich die Helligkeit des Sterns ändert. Kombiniert mit der Wirkung der riesigen Konvektionszellen scheint der Stern im Raum zu tanzen.

Der Tanz verändert die Entfernungsschätzung

Das „Positionsproblem“ des Roten Überriesen zog Andrea Chiavassa (Laboratoire Lagrange, Exzellenzcluster ORIGINS und Max-Planck-Institut für Astrophysik) an. Sie und der Astronom Rolf Kudritzki (Münchner Universitätssternwarte und das Institut für Hawai’i) und ein Wissenschaftsteam erstellten Simulationen der siedenden Oberflächen und der Variabilität der Helligkeit des Roten Überriesen.

„Die synthetischen Karten zeigen extrem unregelmäßige Oberflächen, auf denen sich die größten Strukturen in Zeitskalen von Monaten oder sogar Jahren entwickeln, während sich kleinere Strukturen im Laufe von mehreren Wochen entwickeln“, sagte Chiavassa. „Das bedeutet, dass sich die Position des Sterns voraussichtlich als Funktion der Zeit ändert.“

In ihrem Astronomie & Astrophysik Studie verglich das Team ihr Modell mit Sternen in Chi Persei. Dieser Haufen wurde vom Gaia-Satelliten gemessen, daher sind die Positionen der meisten seiner Sterne sehr genau. Nun, alle außer den roten Überriesen. „Wir haben festgestellt, dass die Positionsunsicherheiten von Roten Überriesen viel größer sind als bei anderen Sternen. Dies bestätigt, dass sich ihre Oberflächenstrukturen mit der Zeit dramatisch ändern, wie es unsere Berechnungen vorhergesagt haben“, erklärt Kudritzki.

Diese Änderung der beobachtbaren Position bietet eine Lösung für das Verständnis der sich verschiebenden Positionen roter Überriesen. Das wiederum macht es schwierig, genaue Entfernungen zu vielen dieser Sterne zu messen. Das aktuelle Modell gibt auch Hinweise auf die Entwicklung dieser Objekte. Aber zu wissen, was die Sterne zum Tanzen bringt, bietet einen Weg zu einer Lösung bei der Berechnung ihrer Entfernungen. Zukünftige Modelle werden Astronomen dabei helfen, diese Entfernungen zu verfeinern und mehr Einblick in das zu geben, was mit diesen Sternen passiert, wenn sie altern.