Im Gegensatz zu Menschen werden Sterne mit all dem Gewicht geboren, das sie jemals haben werden. Das Geburtsgewicht eines Menschen variiert nur um ein paar Pfund, aber das Gewicht eines Sterns reicht von weniger als einem Zehntel bis zu mehr als dem 100-fachen der Masse unserer Sonne. Obwohl Astronomen wissen, dass Sterne in einer Vielzahl von Massen vorkommen, sind sie immer noch ratlos, wenn es darum geht, herauszufinden, ob Sterne bei der Geburt eine Gewichtsbeschränkung haben.
Jetzt haben Astronomen einen wichtigen Schritt unternommen, um eine Gewichtsgrenze für Sterne festzulegen. Mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA haben Astronomen die erste direkte Messung innerhalb unserer Milchstraßengalaxie durchgeführt, bei der Sterne eine Grenze für ihre Größe haben. Bei der Untersuchung des dichtesten bekannten Sternhaufens in unserer Galaxie, des Bogenhaufens, stellten Astronomen fest, dass Sterne nicht größer als das 150-fache der Masse unserer Sonne oder 150 Sonnenmassen sind.
Das Ergebnis bringt Astronomen näher an das Verständnis des komplexen Sternentstehungsprozesses heran und gibt der Idee, dass Sterne eine Gewichtsgrenze haben, den bisher stärksten Halt. Zu wissen, wie groß ein Stern sein kann, kann wichtige Hinweise darauf geben, wie das Universum Sterne bildet. Massive Sterne sind die „Beweger und Schüttler“ des Universums. Sie stellen viele der schwereren Elemente im Kosmos her, die die Bausteine für neue Sterne und Planeten sind. Heftige Sterne können auch die Quelle für titanische Gammastrahlenausbrüche sein, die eine Galaxie mit Strahlung überfluten.
"Dies ist ein unglaublicher Cluster, der eine reiche Sammlung einiger der massereichsten Sterne der Galaxie enthält, aber es scheint, dass Sterne fehlen, die massereicher sind als das 150-fache der Masse unserer Sonne", sagte der Astronom Donald F. Figer von das Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md. „Theorien sagen voraus, dass die Sterne in ihm umso massereicher sind, je massereicher der Cluster ist. Wir haben uns einen der massereichsten Cluster in unserer Galaxie angesehen und festgestellt, dass es einen scharfen Grenzwert dafür gibt, wie groß ein Stern sein kann.
„Standardtheorien sagen 20 bis 30 Sterne im Arches-Cluster mit Massen zwischen 130 und 1.000 Sonnenmassen voraus. Aber wir haben keine gefunden. Wenn sie sich gebildet hätten, hätten wir sie gesehen. Wenn die Vorhersage nur ein oder zwei Sterne wäre und wir keine sehen würden, könnten wir behaupten, dass unser Ergebnis auf statistische Fehler zurückzuführen sein könnte. “
Figer führt Folgestudien durch, um eine Obergrenze in anderen Sternhaufen zu bestimmen und sein Ergebnis zu testen. Sein Befund steht im Einklang mit statistischen Untersuchungen von Sternhaufen mit kleinerer Masse in unserer Galaxie und mit Beobachtungen eines massiven Sternhaufens namens R136 in unserem galaktischen Nachbarn, der Großen Magellanschen Wolke. In diesem Cluster entdeckten Astronomen, dass Sterne nicht größer als 150 Sonnenmassen waren.
Astronomen waren sich nicht sicher, wie groß ein Stern werden kann, bevor er sich nicht zusammenhalten und auseinander sprengen kann. Trotz der technologischen Fortschritte wissen die Astronomen nicht genug über die Details des Sternentstehungsprozesses, um eine Obermassengrenze für Sterne zu bestimmen. Infolgedessen haben Theorien vorausgesagt, dass Sterne zwischen 100 und 1000 Mal so massereich sein können wie unsere Sonne. Die Vorhersage einer unteren Gewichtsgrenze für Sterne war einfacher. Objekte mit weniger als einem Zehntel einer Sonnenmasse sind nicht kräftig genug, um die Kernfusion in ihren Kernen aufrechtzuerhalten und als Sterne zu leuchten.
Diese Feststellung zu treffen war so schwierig, dass Figer sieben Jahre lang über die Hubble-Daten rätselte. Die Ergebnisse werden in der 10. März-Ausgabe der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
"Da ich wusste, dass außergewöhnliche Ansprüche außergewöhnliche Beweise erfordern, kratzte ich mich lange am Kopf, um herauszufinden, warum das Ergebnis falsch sein könnte", sagte er.
Figer untersuchte mit Hubbles Nahinfrarotkamera und dem Multi-Objekt-Spektrometer Hunderte von Sternen im Bereich von 6 bis 130 Sonnenmassen. (Obwohl Figer keine Sterne gefunden hat, die größer als 130 Sonnenmassen sind, hat er die Obergrenze konservativ auf 150 Sonnenmassen festgelegt.) Der Arches-Cluster ist ein Jugendlicher, etwa 2 bis 2,5 Millionen Jahre alt und lebt 25.000 Lichtjahre entfernt in unserer Galaxienhub, eine Brutstätte massereicher Sternentstehung. In dieser unruhigen Region kollidieren riesige Gaswolken zu riesigen Sternen.
Die Infrarotkamera von Hubble eignet sich gut zur Analyse der Bögen, da sie den staubigen Kern unserer Galaxie durchdringt und scharfe Bilder erzeugt, sodass das Teleskop einzelne Sterne in einem dicht gepackten Cluster sehen kann. Figer schätzte die Masse der Sterne, indem er das Alter des Clusters und die Helligkeit der einzelnen Sterne maß. Er arbeitete auch mit Francisco Najarro vom Instituto de Estructura de la Materia in Madrid zusammen, der detaillierte Modelle erstellte, um die Massen, die chemische Häufigkeit und das Alter der Sterne des Clusters zu bestätigen.
Ein Cluster muss eine lange Liste von Anforderungen erfüllen, die Astronomen zur Identifizierung einer oberen Massengrenze verwenden müssen. Der Cluster muss kräftig genug sein, etwa 10.000 Sonnenmassen, um Sterne zu produzieren, die groß genug sind, um die Obergrenze zu untersuchen. Ein Cluster kann auch nicht zu jung oder zu alt sein. Einen älteren Cluster auswählen? jenseits von 2,5 Millionen Jahren? bedeutet, dass viele der massiven jungen Sterne bereits als Supernovae explodiert sind. In einem sehr jungen Cluster? weniger als 2 Millionen Jahre alt? Viele der Sterne sind immer noch in ihre Staubwolken gehüllt, und Astronomen können sie nicht sehen.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Entfernung eines Clusters von der Erde. Astronomen müssen die Entfernung des Clusters kennen, um die Helligkeit seiner Sterne zuverlässig abschätzen zu können. Dies ist ein Schlüsselbestandteil für die Schätzung der Masse eines Sterns. Der Cluster muss auch nah genug sein, um einzelne Sterne zu sehen. Der Arches-Cluster ist der einzige Cluster in der Galaxie, der all diese Anforderungen erfüllt, sagte Figer.
Die Bögen überstrahlen fast jeden anderen Sternhaufen in der Galaxie. Mit einer Masse, die mehr als 10.000 Sternen wie unserer Sonne entspricht, ist der Monsterhaufen zehnmal schwerer als typische junge Sternhaufen wie der Orionhaufen, die über unsere Milchstraße verstreut sind. Wenn unsere galaktische Nachbarschaft so voller Sterne wäre, würden mehr als 100.000 Sterne die Leere zwischen unserer Sonne und ihrem nächsten Nachbarn, dem 4,3 Lichtjahre entfernten Stern Alpha Centauri, füllen. Astronomen schätzen, dass nur 1 von 10 Millionen Sternen in der Galaxie so hell ist wie die Sterne im Arches-Cluster. Mindestens ein Dutzend der Sterne des Clusters wiegen etwa das 100-fache der Masse unserer Sonne.
Figer warnt davor, dass die Obergrenze die Existenz von Sternen mit mehr als 150 Sonnenmassen nicht ausschließt. Solche kräftigen Sterne hätten, wenn sie existieren, durch die Verschmelzung mit einem anderen massiven Stern an Gewicht zunehmen können. Zum Beispiel ist der junge Pistolenstern in der Nähe unseres galaktischen Zentrums 150- bis 250-mal so massereich wie unsere Sonne. Dieser gigantische Stern scheint jedoch fehl am Platz zu sein, weil er in einer Nachbarschaft älterer Sterne wohnt. Eine Möglichkeit, dieses offensichtliche Paradoxon zu erklären, ist laut Figer, dass die Pistole ein „wiedergeborener“ Stern sein könnte, der aus der Verschmelzung zweier Sterne entstanden ist. Seine Erklärung ist nicht nur Theorie. Astronomen haben ältere Sterne gefunden, die durch Fusionen mit anderen Sternen in alten Kugelsternhaufen wiedergeboren wurden.
Die Pistole könnte auch Teil eines Doppelsternsystems sein, das sich als einzelner Riesenstern tarnt. Die beiden Sterne wurden nicht entlarvt, da sie selbst vom Hubble-Teleskop nicht aufgelöst werden können.
Doppelsternsysteme, so warnen Astronomen, könnten einige der massereichsten Sterne im Arches-Cluster bilden. Dies bedeutet, dass die Obergrenze in den Bögen unter 150 Sonnenmassen liegen kann, jedoch nicht höher.
Figers nächster Schritt besteht darin, mehr Cluster zu lokalisieren, um seine Gewichtsgrenze zu testen. Mehrere Teleskope, darunter das Spitzer-Weltraumteleskop, haben in unserer Milchstraße nach neuen Sternhaufen gesucht. In den letzten zwei Jahren hat sich die Anzahl der bekannten Cluster in unserer Galaxie von einigen hundert auf 500 verdoppelt, sagte Figer. Viele der neu gefundenen Cluster sind im 2MASS-Katalog (Two Micron All Sky Survey) zusammengefasst. Figer hat bereits etwa 130 dieser neu entdeckten Cluster als mögliche Kandidaten für ein Studium identifiziert. Die NASA hat Figers wichtige Arbeit mit einem fünfjährigen Preis für Langzeit-Weltraumastrophysik gewürdigt, der seine Suche nach den massereichsten Sternen in der Milchstraße unterstützen wird.
Originalquelle: Hubble-Pressemitteilung
