Bildung und Ausdehnung kohlenstoffreicher Staubhüllen in einem Sternsystem beobachtet

Astro­no­men haben mit dem James-Webb-Welt­raum­te­le­skop der NASA/ESA/CSA zwei Ster­ne iden­ti­fi­ziert, die für die Erzeu­gung von koh­len­stoff­rei­chem Staub ver­ant­wort­lich sind, nur 5.000 Licht­jah­re ent­fernt in unse­rer eige­nen Milch­stra­ße. Wenn die mas­se­rei­chen Ster­ne im Sys­tem Wolf-Ray­et 140 auf ihren lang­ge­streck­ten Umlauf­bah­nen anein­an­der vor­bei­flie­gen, kol­li­die­ren ihre Win­de und erzeu­gen den koh­len­stoff­rei­chen Staub. Alle acht Jah­re bil­den die Ster­ne eini­ge Mona­te lang eine neue Staub­hül­le, die sich nach außen aus­dehnt – und mög­li­cher­wei­se irgend­wann Teil von Ster­nen wird, die anders­wo in unse­rer Gala­xie entstehen.

Astro­no­men ver­su­chen seit lan­gem her­aus­zu­fin­den, wie sich Ele­men­te wie Koh­len­stoff, die für das Leben uner­läss­lich sind, im Uni­ver­sum ver­tei­len. Jetzt hat das James-Webb-Welt­raum­te­le­skop eine stän­di­ge Quel­le von koh­len­stoff­rei­chem Staub in unse­rer eige­nen Milch­stra­ßen­ga­la­xie genau­er unter­sucht: Wolf-Ray­et 140 [1], ein Sys­tem aus zwei mas­se­rei­chen Ster­nen, die sich auf einer engen, lang­ge­streck­ten Umlauf­bahn befinden.

Wenn sie anein­an­der vor­bei­zie­hen (inner­halb des zen­tra­len wei­ßen Punk­tes in den Webb-Bil­dern), pral­len die Stern­win­de bei­der Ster­ne auf­ein­an­der, das Mate­ri­al wird kom­pri­miert, und es bil­det sich koh­len­stoff­rei­cher Staub. Die neu­es­ten Beob­ach­tun­gen von Webb zei­gen 17 Staub­scha­len, die im mitt­le­ren Infra­rot­licht leuch­ten und sich in regel­mä­ßi­gen Abstän­den in den umge­ben­den Raum ausdehnen.

„Das Tele­skop bestä­tig­te, dass die­se Staub­hül­len real sind, und sei­ne Daten zeig­ten auch, dass sich die Staub­hül­len mit kon­stan­ter Geschwin­dig­keit nach außen bewe­gen und sicht­ba­re Ver­än­de­run­gen über unglaub­lich kur­ze Zeit­räu­me hin­weg offen­ba­ren“, sag­te Emma Lieb, die Haupt­au­to­rin des neu­en Arti­kels und Dok­to­ran­din an der Uni­ver­si­ty of Den­ver in Colorado.

Jede Hül­le rast mit mehr als 2.600 Kilo­me­tern pro Sekun­de von den Ster­nen weg, fast 1 % der Licht­ge­schwin­dig­keit. „Wir sind es gewohnt, uns Ereig­nis­se im Welt­raum vor­zu­stel­len, die sich lang­sam über Mil­lio­nen oder Mil­li­ar­den von Jah­ren abspie­len“, füg­te Jen­ni­fer Hoff­man hin­zu, eine Co-Autorin und Pro­fes­so­rin an der Uni­ver­si­ty of Den­ver. „In die­sem Sys­tem zeigt das Obser­va­to­ri­um, dass sich die Staub­hül­len von einem Jahr zum nächs­ten ausdehnen.“

„Die Echt­zeit­be­we­gung die­ser Hül­len zwi­schen Webbs Beob­ach­tun­gen zu sehen, die nur 13 Mona­te aus­ein­an­der lagen, ist wirk­lich bemer­kens­wert“, sag­te Oli­via Jones, Co-Autorin am UK Astro­no­my Tech­no­lo­gy Cent­re in Edin­burgh. „Die­se neu­en Ergeb­nis­se geben uns einen ers­ten Ein­blick in die mög­li­che Rol­le sol­cher mas­si­ver Dop­pel­ster­ne als Staub­fa­bri­ken im Universum.“

Wie ein Uhr­werk erzeu­gen die Win­de der Ster­ne alle acht Jah­re meh­re­re Mona­te lang Staub, wenn sich die bei­den Ster­ne auf einer wei­ten, lang­ge­streck­ten Umlauf­bahn am nächs­ten kom­men. Webb zeigt auch, wo die Staub­bil­dung auf­hört – man beach­te die dunk­le­re Regi­on oben links in bei­den Bildern.

Auf den Auf­nah­men im mitt­le­ren Infra­rot­be­reich wur­den Hül­len ent­deckt, die seit mehr als 130 Jah­ren bestehen (älte­re Hül­len haben sich so weit auf­ge­löst, dass sie jetzt zu schwach sind, um erkannt zu wer­den). Die For­scher ver­mu­ten, dass die Ster­ne im Lau­fe von Hun­dert­tau­sen­den von Jah­ren Zehn­tau­sen­de von Staub­scha­len erzeu­gen werden.

„Beob­ach­tun­gen im mitt­le­ren Infra­rot­be­reich sind für die­se Ana­ly­se abso­lut ent­schei­dend, da der Staub in die­sem Sys­tem ziem­lich kühl ist. Beob­ach­tun­gen im nahen Infra­rot und im sicht­ba­ren Licht wür­den nur die Scha­len zei­gen, die dem Stern am nächs­ten sind“, erklär­te Ryan Lau, Co-Autor und Astro­nom am NSF NOIR­Lab in Tuc­son, Ari­zo­na, der die anfäng­li­che For­schung zu die­sem Sys­tem lei­te­te. „Mit die­sen unglaub­li­chen neu­en Details ermög­licht uns das Tele­skop auch, genau zu unter­su­chen, wann die Ster­ne Staub bil­den – fast auf den Tag genau.“

Die Ver­tei­lung des Stau­bes ist nicht gleich­mä­ßig. Obwohl die­se Unter­schie­de in Webbs Bil­dern nicht offen­sicht­lich sind, stell­te das Team fest, dass sich ein Teil des Stau­bes „auf­ge­häuft“ hat und amor­phe, zar­te Wol­ken bil­det, die so groß sind wie unser gesam­tes Son­nen­sys­tem. Vie­le ande­re ein­zel­ne Staub­par­ti­kel schwe­ben frei. Jedes Staub­korn ist so klein wie ein Hun­derts­tel der Brei­te eines mensch­li­chen Haa­res. Ob klum­pig oder nicht, der gesam­te Staub bewegt sich mit der glei­chen Geschwin­dig­keit und ist reich an Kohlenstoff.

Die Zukunft dieses Systems

Was wird mit die­sen Ster­nen im Lau­fe von Mil­lio­nen oder Mil­li­ar­den von Jah­ren gesche­hen, nach­dem sie ihre Umge­bung mit Staub „besprüht“ haben? Der Wolf-Ray­et-Stern in die­sem Sys­tem ist zehn­mal mas­se­rei­cher als die Son­ne und nähert sich dem Ende sei­nes Lebens. In sei­nem letz­ten „Akt“ wird die­ser Stern ent­we­der als Super­no­va explo­die­ren – und mög­li­cher­wei­se eini­ge oder alle Staub­hül­len weg­spren­gen – oder in ein Schwar­zes Loch kol­la­bie­ren, wodurch die Staub­hül­len intakt blei­ben würden.

Obwohl nie­mand mit Sicher­heit vor­her­sa­gen kann, was pas­sie­ren wird, hof­fen die For­scher auf das Sze­na­rio mit dem schwar­zen Loch. „Eine wich­ti­ge Fra­ge in der Astro­no­mie ist, woher der gan­ze Staub im Uni­ver­sum kommt“, sag­te Lau. „Wenn koh­len­stoff­rei­cher Staub wie die­ser über­lebt, könn­te uns das hel­fen, die­se Fra­ge zu beantworten.“

„Wir wis­sen, dass Koh­len­stoff für die Ent­ste­hung von Gesteins­pla­ne­ten und Son­nen­sys­te­men wie unse­rem not­wen­dig ist“, füg­te Hoff­man hin­zu. „Es ist auf­re­gend, einen Ein­blick zu bekom­men, wie Dop­pel­stern­sys­te­me nicht nur koh­len­stoff­rei­chen Staub erzeu­gen, son­dern ihn auch in unse­re galak­ti­sche Nach­bar­schaft verteilen.“

Die­se Ergeb­nis­se wur­den in den Astro­phy­si­cal Jour­nal Let­ters ver­öf­fent­licht und auf einer Pres­se­kon­fe­renz auf der 245. Tagung der Ame­ri­can Astro­no­mic­al Socie­ty in Natio­nal Har­bor, Mas­sa­chu­setts, vorgestellt.

Anmerkungen

[1] Ein Wolf-Ray­et-Stern wird mit min­des­tens 25-mal mehr Mas­se als unse­re Son­ne gebo­ren und nähert sich dem Ende sei­nes Lebens, wenn er wahr­schein­lich direkt zu einem Schwar­zen Loch kol­la­biert oder als Super­no­va explo­diert. Ein Wolf-Ray­et-Stern brennt hei­ßer als in sei­ner Jugend und erzeugt star­ke Win­de, die rie­si­ge Men­gen an Gas ins All sto­ßen. Der Wolf-Ray­et-Stern in die­sem spe­zi­el­len Paar hat durch die­sen Pro­zess mög­li­cher­wei­se mehr als die Hälf­te sei­ner ursprüng­li­chen Mas­se verloren.

Weitere Informationen

Webb ist das größ­te und leis­tungs­stärks­te Tele­skop, das jemals ins All geschos­sen wur­de. Im Rah­men eines inter­na­tio­na­len Koope­ra­ti­ons­ab­kom­mens hat die ESA den Start des Tele­skops mit der Trä­ger­ra­ke­te Aria­ne 5 durch­ge­führt. In Zusam­men­ar­beit mit ihren Part­nern war die ESA für die Ent­wick­lung und Qua­li­fi­zie­rung der Aria­ne-5-Anpas­sun­gen für die Webb-Mis­si­on sowie für die Beschaf­fung des Start­ser­vices durch Aria­nespace ver­ant­wort­lich. Die ESA stell­te auch den Arbeits­spek­tro­gra­phen NIR­Spec und 50 % des Mit­tel­in­fra­rot-Instru­ments MIRI zur Ver­fü­gung, das von einem Kon­sor­ti­um natio­nal finan­zier­ter euro­päi­scher Insti­tu­te (The MIRI Euro­pean Con­sor­ti­um) in Zusam­men­ar­beit mit dem JPL und der Uni­ver­si­tät von Ari­zo­na ent­wi­ckelt und gebaut wurde.

Webb ist eine inter­na­tio­na­le Part­ner­schaft zwi­schen der NASA, der ESA und der kana­di­schen Welt­raum­be­hör­de (CSA).

Bild­nach­weis: NASA, ESA, CSA, STScI, E. Lieb (Uni­ver­si­tät von Den­ver), R. Lau (NSF NOIR­Lab), J. Hoff­man (Uni­ver­si­tät von Denver)

Links

Ver­öf­fent­li­chung auf der STScI-Web­site
3D-Druck­da­tei­en von Wolf-Ray­et 140

Link zur ESA-Pres­se­mit­tei­lung weic2501