Studie zeigt Konsistenz der Rotationsentwicklung zwischen offenen Sternhaufen und Feldsternen zur Bestimmung des Alters

Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) und der Boston University ist es gelungen, einen Zusammenhang zwischen den Rotationsraten von Sternen in Sternhaufen und denen außerhalb davon, sogenannten Feldsternen, herzustellen und daraus deren Alter abzuleiten.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Methode der Gyrochronologie nicht nur auf Haufensterne angewendet werden kann, sondern auch für Feldsterne gut funktioniert und so das Alter von viel mehr Sternen bestimmt werden kann. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Astronomie und Astrophysik.

Wie alt ist ein Stern? Dies ist eine knifflige Frage, die bei einem Stern, der sich in einem Sternhaufen befindet, einfacher zu beantworten ist. Dies liegt daran, dass alle Sterne in einem Sternhaufen – unabhängig von ihrer Größe – denselben Ursprung und damit dasselbe Alter haben. Durch die Untersuchung der kollektiven Eigenschaften von Sternen in einem Sternhaufen und ihrer aktuellen Entwicklungsstadien kann man ihr Alter gut abschätzen.

Forscher erforschen nun das neue Gebiet der Gyrochronologie, das die Bestimmung des Alters einzelner Sterne ermöglicht. Es stellt einen Zusammenhang zwischen der Rotation eines Sterns und seiner Farbe sowie seinem Alter her.

Die Rotationsperiode, mit der sich ein Stern um seine Achse dreht, lässt sich aus Beobachtungen seiner Helligkeit bestimmen: Viele Sterne haben dunkle Flecken auf ihrer Oberfläche, ähnlich den Sonnenflecken. Wenn sich ein Stern dreht und ein Sternfleck in das Sichtfeld eines Beobachters gelangt, nimmt die Helligkeit des Sterns geringfügig ab. Durch die Messung dieser kleinen Einbrüche in der Intensität des Sternlichts und deren Wiederholung, beispielsweise mit Daten des Kepler-Satelliten, wie sie hier verwendet wurden, kann die Rotationsperiode eines Sterns gemessen werden.

Untersuchungen an massearmen Zwergsternen in Clustern haben gezeigt, dass Sterne mit zunehmendem Alter immer langsamer rotieren. Wenn man die Rotationsperioden von Sternen gegen ihre Farben in einem Diagramm aufträgt, entsteht ein charakteristisches Muster: Die Sternhaufen bilden Kurven, die gemeinsam ein Skelett der Rotationsentwicklung definieren, wobei jede Rippe des Skeletts einem Cluster eines bestimmten Zeitalters entspricht und Cluster älterer Sterne nacheinander die höheren Rippen definieren. Jede Rippe ist dann eine gleichaltrige Kurve.

Wenn man einen Sternhaufen in das Diagramm einträgt, kann man anhand dieser Linien sein Alter ableiten. Da diese Methode jedoch auf der Grundlage von Sternhaufen entwickelt wurde, war bisher nicht klar, ob diese Methode der Altersbestimmung auch für Sterne funktioniert, die außerhalb von Sternhaufen liegen und die die überwiegende Mehrheit der Sterne unserer Galaxie ausmachen.

Hier setzt die aktuelle Arbeit an. Die Autoren arbeiteten mit einer Stichprobe von mehr als 300 großen Doppelsternen. Hierbei handelt es sich um Systeme aus zwei Sternen, die einander umkreisen und weit genug voneinander entfernt sind, dass sie nicht interagiert und so ihre normale Rotationsentwicklung gestört haben.

Breite Doppelsterne sind Feldsterne, aber ihr gemeinsamer Ursprung lässt eine Annahme zu, die auch für Sternhaufen gilt: dass sie gleich alt sind. Das heißt, wenn sich Feldsterne tatsächlich auf die gleiche Weise entwickeln wie Sternhaufen, dann sollten die beiden Sterne eines breiten Doppelsternsystems ein konsistentes Bild liefern, wenn sie auf dem Sternhaufenskelett platziert werden. Mit anderen Worten: Wenn ein Stern eines breiten Doppelsternsystems auf der Rotationsrippe eines bestimmten Sternhaufens liegt, würde dann auch der andere Stern auf derselben Rippe liegen? Die Autoren der Studie stellten fest, dass dies nachdrücklich der Fall ist.

Tatsächlich fanden die Autoren heraus, dass sie die untersuchten Doppelsterne in eine Reihe von Untergruppen aufteilen konnten, die jeweils einem entsprechenden Sternhaufen des entsprechenden Alters zugeordnet waren. David Gruner, Hauptautor der Studie und Ph.D. Student am AIP in der Gruppe „Stellare Aktivität“ sagt: „Es war überraschend zu sehen, wie gut alle unsere großen Doppelsternsysteme zusammenpassten, als wir begannen, sie mit dem Clusterskelett zu vergleichen. Selbst Systeme mit Sternen sehr unterschiedlicher Masse zeigten eine bemerkenswerte Kohärenz in ihren Positionen im Diagramm, bis zu dem Punkt, dass sie praktisch nicht mehr von den Clustern zu unterscheiden sind.“

Man kann dann davon ausgehen, dass die wenigen Sterne, die über der Ansammlung von Sternhaufenrippen liegen, älter sind als die bisher gemessenen Sternhaufen. Darüber hinaus zeigten die Autoren, dass bei der überwiegenden Mehrheit der untersuchten Systeme das Rotationsalter einer Komponente mit dem Rotationsalter der anderen Komponente übereinstimmt. Da die große binäre Probe sehr vielfältig war, sowohl in ihrer Verteilung am Himmel als auch in ihren anderen Sterneigenschaften, wie etwa dem Metallgehalt, lässt das Ergebnis darauf schließen, dass die Gyrochronologie wahrscheinlich zuverlässig für Feldsterne verwendet werden kann.

Dr. Sydney Barnes, Leiterin der Stellar Activity-Gruppe am AIP, fügt hinzu: „Die Arbeit bietet ein gewisses Maß an Sicherheit dafür, dass in Zukunft aus ihren Rotationsraten verlässliche Altersangaben für eine viel größere Anzahl von Feldsternen ermittelt werden können.“ Dieses Ergebnis wird für die Satellitenmission PLATO von Bedeutung sein, deren Ziel nicht nur die Entdeckung einer großen Anzahl von Sternen ist, die Planeten beherbergen, sondern auch die Angabe ihres Alters, um erste Einblicke in die Entwicklungsgeschichte von Exoplaneten zu ermöglichen.