Vor ungefähr fünfzig Jahren sagten Astronomen voraus, was das endgültige Schicksal unserer Sonne sein wird. Nach der Theorie wird die Sonne in Milliarden von Jahren ihren Wasserstoffbrennstoff erschöpfen und sich zu einem Roten Riesen ausdehnen, gefolgt von ihren äußeren Schichten und einem weißen Zwerg. Nach einigen weiteren Milliarden Jahren Abkühlung kristallisiert das Innere und wird fest.
Bis vor kurzem hatten Astronomen wenig Beweise, um diese Theorie zu stützen. Aber dank der ESA Gaia ObservatoriumAstronomen können jetzt Hunderttausende von weißen Zwergsternen mit immenser Präzision beobachten - indem sie ihre Entfernung, Helligkeit und Farbe messen. Dies wiederum hat es ihnen ermöglicht zu untersuchen, was die Zukunft für unsere Sonne bereithält, wenn es nicht mehr der warme, gelbe Stern ist, den wir heute kennen und lieben.
Die Studie, die diese Ergebnisse beschreibt, erschien kürzlich in der Zeitschrift Natur unter dem Titel "Kernkristallisation und Anhäufung in der Abkühlungssequenz sich entwickelnder weißer Zwerge". Die Studie wurde von Pier-Emmanuel Tremblay, einem Assistenzprofessor an der University of Warwick, geleitet und umfasste mehrere Forscher der Warwick-Gruppe für Astronomie und Astrophysik, der Université de Montréal und der University of North Carolina.
Wenn es um die Sternentwicklung geht, haben jahrzehntelange Beobachtungen in Kombination mit theoretischen Modellen den Astronomen ermöglicht, anhand ihrer Klassifizierung zu schließen, was mit einem Stern geschehen wird. Während größere Sterne (wie blaue Superriesen) schließlich zur Supernova werden und zu Neutronensternen oder Schwarzen Löchern werden, werden kleinere Sterne wie unsere Sonne ihre äußeren Schichten abwerfen, um planetare Nebel zu werden, und schließlich ihren Lebenszyklus als weißer Zwerg abschließen.
Diese ultradichten Sterne emittieren beim Abkühlen weiterhin Strahlung, ein Prozess, der Milliarden von Jahren dauert. Schließlich wird ihr Innenraum kühl genug sein - etwa 10 Millionen ° C (50 Millionen ° F) -, dass der extreme Druck, der auf ihre Kerne ausgeübt wird, dazu führt, dass das Material dort kristallisiert und fest wird. Es wird geschätzt, dass dies das Schicksal von bis zu 97% der Sterne in der Milchstraße sein wird, während der Rest zu Neutronensternen oder Schwarzen Löchern wird.
Da weiße Zwerge zu den ältesten Sternen im Universum gehören, sind sie für Astronomen unglaublich nützlich. Da ihr Lebenszyklus vorhersehbar ist, werden sie als „kosmische Uhren“ verwendet, um das Alter von Gruppen benachbarter Sterne mit einem hohen Maß an Genauigkeit abzuschätzen. Es war jedoch eine Herausforderung, festzustellen, was gegen Ende ihres Lebenszyklus mit weißen Zwergen passiert.
Zuvor waren die Astronomen in Bezug auf die Anzahl der weißen Zwerge, die sie studieren konnten, begrenzt. All dies änderte sich mit der Bereitstellung von Gaia, ein Weltraumobservatorium, das in den letzten Jahren die Positionen, Entfernungen und Bewegungen von Sternen genau gemessen hat, um den detailliertesten 3D-Weltraumkatalog zu erstellen, der jemals erstellt wurde.
Wie Pier-Emmanuel Tremblay, ein ERC * Starting Grant Fellow, in einer kürzlich veröffentlichten Pressemitteilung der ESA ausführte:
„Früher hatten wir Entfernungen für nur ein paar Hundert weiße Zwerge und viele von ihnen befanden sich in Clustern, in denen sie alle gleich alt sind. Mit Gaia haben wir jetzt die Entfernung, Helligkeit und Farbe von Hunderttausenden weißer Zwerge für eine beträchtliche Probe in der äußeren Scheibe der Milchstraße, die eine Reihe von Ausgangsmassen und Altersgruppen aller Art umfasst. “
Für ihre Studie verwendeten die Astronomen Gaia-Daten, um mehr als 15 000 Kandidaten für Sternreste innerhalb von 300 Lichtjahren um die Erde zu analysieren. Anhand dieser Stichprobe konnten sie einen Überschuss an Sternen (auch bekannt als Pileup) mit bestimmten Farben und Leuchtstärken identifizieren, die keiner einzelnen Masse oder keinem Alter entsprachen.
Diese Anhäufung schien im Vergleich zu Evolutionsmodellen von Sternen mit dem Entwicklungsstadium zusammenzufallen, in dem Sterne in großen Mengen Wärme verlieren. Dieser Prozess verlangsamt den natürlichen Abkühlungsprozess und führt dazu, dass die toten Sterne nicht mehr dunkler werden, wodurch sie bis zu 2 Milliarden Jahre jünger erscheinen als sie tatsächlich sind
"Dies ist der erste direkte Beweis dafür, dass weiße Zwerge kristallisieren oder von flüssig zu fest übergehen", erklärte Tremblay in einer Presseerklärung von Warwick. "Vor fünfzig Jahren wurde vorausgesagt, dass sich die Anzahl der weißen Zwerge bei bestimmten Leuchtdichten und Farben aufgrund der Kristallisation häufen sollte, und erst jetzt wurde dies beobachtet."
Dieses Muster, bei dem die Leuchtkraft nicht mit dem Alter zusammenhängt, war eine der wichtigsten Vorhersagen über die Kristallisation weißer Zwerge vor 50 Jahren. Jetzt, da Astronomen direkte Beweise für diesen Prozess bei der Arbeit haben, wird dies wahrscheinlich unser Verständnis davon beeinflussen, in welche Sterngruppierungen weiße Zwerge einbezogen werden sollten.
"Weiße Zwerge werden traditionell zur Altersdatierung von Sternpopulationen wie Sternhaufen, der äußeren Scheibe und dem Heiligenschein in unserer Milchstraße verwendet", sagte Tremblay. "Wir müssen jetzt bessere Kristallisationsmodelle entwickeln, um genauere Schätzungen des Alters dieser Systeme zu erhalten."
Während zum Beispiel alle weißen Zwerge irgendwann in ihrer Entwicklung kristallisieren, variiert die dafür benötigte Zeit je nach Stern. Massivere weiße Zwerge kühlen schneller ab und erreichen die Temperatur, bei der die Kristallisation früher auftritt (in etwa einer Milliarde Jahren). Kleinere weiße Zwerge, zu denen unsere Sonne werden wird, benötigen möglicherweise bis zu sechs Milliarden Jahre, um denselben Übergang zu vollziehen.
"Dies bedeutet, dass Milliarden weißer Zwerge in unserer Galaxie den Prozess bereits abgeschlossen haben und im Wesentlichen Kristallkugeln am Himmel sind", sagte Tremblay. In der Zwischenzeit kann erwartet werden, dass unsere Sonne diesen Übergang in weiteren zehn Milliarden Jahren durchläuft. Zu diesem Zeitpunkt hat unsere Sonne ihre Phase des Roten Riesenastes verlassen, ist ein weißer Zwerg geworden und hat den Kristallisationsprozess begonnen.
Dies ist nur die neueste Offenbarung aus dem Gaia Mission, die in den letzten fünf Jahren Himmelsobjekte in der Milchstraße und in benachbarten Galaxien katalogisiert hat. Bevor die Mission endet (voraussichtlich bis 2022), sind zwei weitere Datenfreigaben geplant, wobei die DR3-Veröffentlichung für 2021 geplant ist und die endgültige Veröffentlichung noch zu bestimmen ist.
* Die Forschung wurde dank der Finanzierung durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) ermöglicht.
