Verfolgung eines neu entdeckten Hochgeschwindigkeitssterns, der von Bürgerwissenschaftlern entdeckt wurde

Es mag so aussehen, als stünde die Sonne still, während sich die Planeten in ihrer Umlaufbahn bewegen, aber tatsächlich umkreist die Sonne die Milchstraße mit einer beeindruckenden Geschwindigkeit von etwa 220 Kilometern pro Sekunde – fast einer halben Million Meilen pro Stunde.

So schnell das auch erscheinen mag, die Wissenschaftler wurden aufmerksam, als man entdeckte, dass sich ein blasser roter Stern sogar noch schneller über den Himmel bewegte – und zwar mit einer Geschwindigkeit von rund 600 Kilometern pro Sekunde.

Dieser seltene Sternenflitzer ist der erste „Hypergeschwindigkeitsstern“ mit sehr geringer Masse, der dank der Bemühungen von Bürgerwissenschaftlern und einem Team von Astronomen aus dem ganzen Land mit mehreren Teleskopen entdeckt wurde, darunter zwei auf Hawaii – das WM Keck Observatory auf Maunakea, Hawaii Island und das Pan-STARRS des University of Hawaii Institute for Astronomy auf Haleakalā, Maui. Er befindet sich nur 400 Lichtjahre von der Erde entfernt und ist der uns am nächsten bekannte Hypergeschwindigkeitsstern.

Noch bemerkenswerter ist, dass sich dieser Stern möglicherweise auf einer ungewöhnlichen Flugbahn befindet, die dazu führen könnte, dass er die Milchstraße vollständig verlässt.

Die Forschungsarbeit unter der Leitung von Adam Burgasser, Professor für Astronomie und Astrophysik an der University of California (UC) San Diego, wurde kürzlich zur Veröffentlichung angenommen in Die Briefe des Astrophysical Journal Und ist im Vorabdruck erhältlich Format auf arXiv.

Der Stern mit der Bezeichnung CWISE J124909+362116.0 (oder kurz „J1249+36“) wurde erstmals von einigen der über 80.000 freiwilligen Bürgerwissenschaftler entdeckt, die am Projekt „Backyard Worlds: Planet 9“ teilnehmen und riesige Mengen an Daten durchforsten, die in den letzten 14 Jahren von der Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE)-Mission der NASA gesammelt wurden.

Dieses Projekt nutzt die ausgeprägte Fähigkeit des Menschen, der evolutionär darauf programmiert ist, nach Mustern zu suchen und Anomalien zu erkennen, und zwar auf eine Art und Weise, die von der Computertechnologie nicht erreicht wird. Freiwillige markieren bewegte Objekte in Datendateien, und wenn genügend Freiwillige dasselbe Objekt markiert haben, untersuchen Astronomen es.

J1249+36 fiel sofort auf, da es sich mit etwa 0,1 % der Lichtgeschwindigkeit bewegte.

„Hier wurde die Quelle sehr interessant, denn ihre Geschwindigkeit und Flugbahn zeigten, dass sie sich schnell genug bewegte, um möglicherweise der Milchstraße zu entkommen“, sagt Burgasser.

Um die Natur dieses Objekts besser zu verstehen, griff Burgasser auf den Nahinfrarot-Echellette-Spektrographen (NIRES) des Keck-Observatoriums zurück und maß sein Infrarotspektrum. Die Daten zeigten, dass es sich bei dem Objekt um einen L-Unterzwerg handelte – eine Klasse von Sternen mit sehr geringer Masse und niedrigeren Temperaturen als unsere Sonne. Unterzwerge sind die ältesten Sterne in der Milchstraße.

Das Team verglich die Erkenntnisse des Keck-Observatoriums zur Zusammensetzung von J1249+36 mit einer neuen Reihe von Atmosphärenmodellen, die von Roman Gerasimov, einem Absolventen der UC San Diego, erstellt wurden. Dieser arbeitete mit dem UC LEADS-Gelehrten Efrain Alvarado III zusammen, um Modelle zu entwickeln, die speziell auf die Untersuchung von L-Unterzwergen abgestimmt sind.

„Es war aufregend zu sehen, dass unsere Modelle in der Lage waren, das mit Kecks NIRES erhaltene Spektrum genau abzubilden“, sagt Alvarado.

Die Spektraldaten sowie Bilddaten von Pan-STARRS und mehreren anderen erdgebundenen Teleskopen ermöglichten es dem Team, die Position und Geschwindigkeit von J1249+36 im Weltraum genau zu messen und so seine Umlaufbahn durch die Milchstraße vorherzusagen.

Was hat diesem Star den Kick gegeben?

Um die ungewöhnliche Flugbahn von J1249+36 zu erklären, konzentrierten sich die Forscher auf zwei mögliche Szenarien.

Im ersten Szenario war J1249+36 ursprünglich der massearme Begleiter eines Weißen Zwergs. Weiße Zwerge sind die Restkerne von Sternen, deren Kernbrennstoff aufgebraucht ist und die erloschen sind. Befindet sich ein Sternbegleiter in einer sehr engen Umlaufbahn um einen Weißen Zwerg, kann er Masse übertragen, was zu periodischen Ausbrüchen, sogenannten Novae, führt. Wenn der Weiße Zwerg zu viel Masse ansammelt, kann er kollabieren und als Supernova explodieren.

„Bei dieser Art von Supernova wird der Weiße Zwerg vollständig zerstört, so dass sein Begleiter freigesetzt wird und mit der ursprünglichen Umlaufgeschwindigkeit davonfliegt, zuzüglich eines kleinen Schubs durch die Supernova-Explosion“, sagt Burgasser.

„Unsere Berechnungen zeigen, dass dieses Szenario funktioniert. Allerdings ist der Weiße Zwerg nicht mehr da und die Überreste der Explosion, die wahrscheinlich vor mehreren Millionen Jahren stattfand, haben sich bereits aufgelöst, so dass wir keinen definitiven Beweis dafür haben, dass dies sein Ursprung ist.“

Im zweiten Szenario war J1249+36 ursprünglich Mitglied eines Kugelsternhaufens, einer eng verbundenen Ansammlung von Sternen, die sofort an ihrer ausgeprägten Kugelform zu erkennen ist. In den Zentren dieser Haufen werden Schwarze Löcher mit unterschiedlichsten Massen vermutet. Diese Schwarzen Löcher können auch Doppelsterne bilden, und solche Systeme erweisen sich als hervorragende Katapulte für Sterne, die ihnen zu nahe kommen.

„Wenn ein Stern auf ein Doppelsternsystem aus schwarzen Löchern trifft, kann die komplexe Dynamik dieser Dreikörper-Wechselwirkung den Stern direkt aus dem Kugelsternhaufen schleudern“, sagt Kyle Kremer, künftiger Assistenzprofessor am Institut für Astronomie und Astrophysik der UC San Diego.

Kremer führte eine Reihe von Simulationen durch und fand heraus, dass diese Art von Wechselwirkungen in seltenen Fällen dazu führen können, dass ein Unterzwerg mit geringer Masse aus einem Kugelsternhaufen herausgeschleudert wird und zwar auf eine Flugbahn, die der für J1249+36 beobachteten ähnelt.

„Es ist ein Machbarkeitsnachweis“, sagt Kremer, „aber wir wissen nicht wirklich, aus welchem ​​Kugelsternhaufen dieser Stern stammt.“ Wenn man J1249+36 in der Zeit zurückverfolgt, findet man ihn in einem sehr überfüllten Teil des Himmels, in dem sich möglicherweise noch unentdeckte Sternhaufen verbergen.

Um festzustellen, ob eines dieser Szenarien oder ein anderer Mechanismus die Flugbahn von J1249+36 erklären kann, hofft das Team laut Burgasser, seine Elementzusammensetzung genauer untersuchen zu müssen. Wenn beispielsweise ein Weißer Zwerg explodiert, entstehen schwere Elemente, die die Atmosphäre von J1249+36 bei seiner Flucht „verschmutzt“ haben könnten. Die Sterne in Kugelsternhaufen und Satellitengalaxien der Milchstraße weisen ebenfalls unterschiedliche Elementhäufigkeitsmuster auf, die den Ursprung von J1249+36 offenbaren könnten.

„Wir suchen im Wesentlichen nach einem chemischen Fingerabdruck, der genau bestimmen könnte, aus welchem ​​System dieser Stern stammt“, sagte Gerasimov, dessen Modellierungsarbeiten es ihm ermöglicht haben, die Elementhäufigkeit kühler Sterne in mehreren Kugelsternhaufen zu messen.

Ob die schnelle Reise von J1249+36 auf eine Supernova, eine zufällige Begegnung mit einem Doppelstern schwarzer Löcher oder ein anderes Szenario zurückzuführen ist, seine Entdeckung bietet den Astronomen eine neue Gelegenheit, mehr über die Geschichte und Dynamik der Milchstraße zu erfahren.