Webb beobachtet riesigen stellaren Jet am Rande der Milchstraße

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Am Rand unserer Milchstraße sendet ein junger Stern, der sich noch in seiner Entstehungsphase befindet, ein Signal in Form eines riesigen stellaren Jets an das Universum. Die heißen Gase dieses Jets erstrecken sich über eine Entfernung von 8 Lichtjahren – fast doppelt so weit wie die Entfernung zwischen unserer Sonne und dem nächsten Sternsystem. Überhitzte Gase, die auf den massereichen Stern fallen, werden entlang der Rotationsachse des Sterns zurück ins All geschleudert. Starke Magnetfelder bündeln diese Jets. Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA hat dieses Spektakel im Infrarotlicht beobachtet. Die Jets pflügen sich durch den interstellaren Staub und Gas und erzeugen faszinierende Details, die nur das James-Webb-Weltraumteleskop einangen konnte.

Webb hat einen Strahl aus brodelnden Gasen eingefangen, der aus einem wachsenden Monsterstern austritt. Mit einer Ausdehnung von 8 Lichtjahren ist die Länge dieser Sterneruption etwa doppelt so groß wie die Entfernung zwischen unserer Sonne und dem nahe gelegenen Alpha-Centauri-System. Die schiere Größe und Stärke dieses besonderen Sternenjets, bekannt als Sharpless 2–284 (Sh2-284), machen ihn laut Forschern zu einer Seltenheit.

Das JWST einen extrem großen Sternenjet am Rande unserer Milchstraße im Proto-Cluster Sh2-284 abgebildet. Dieses Herbig-Haro-Objekt (HH) besteht aus Plasmajets, die aus neu entstandenen Sternen schießen. Es hat einen Durchmesser von acht Lichtjahren. Das entspricht etwa der doppelten Entfernung unserer Sonne zu ihrem nächstgelegenen Sternensystem, Alpha Centauri. – Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Y. Cheng (NAOJ), J. DePasquale (STScI)

Der Ausfluss rast mit einer Geschwindigkeit von Hunderttausenden von Kilometern pro Stunde durch den Weltraum. Der zentrale Protostern, der so viel wie zehn unserer Sonnen wiegt, befindet sich 15.000 Lichtjahre entfernt am Rande unserer Galaxie im Sternbild Einhorn.

Die Entdeckung durch Webb war ein glücklicher Zufall. „Wir wussten vor der Beobachtung nicht, dass es da draußen einen massereichen Stern mit einem derartigen Superjet gibt. Ein solch spektakulärer Ausfluss von molekularem Wasserstoff aus einem massereichen Stern ist in anderen Regionen unserer Galaxie selten“, sagte Hauptautor Yu Cheng vom National Astronomical Observatory of Japan.

Diese einzigartige Klasse stellarer Feuerwerke, die sogenannten Herbig-Haro-Objekte (HH), sind hochgradig gebündelte Plasmastrahlen, die aus neu entstehenden Sternen herausschießen. Solche Jets sind die spektakuläre „Geburtsanzeige“ eines Sterns an das Universum. Ein Teil des um den Zentralstern herum angesammelten Gases wird wahrscheinlich unter dem Einfluss von Magnetfeldern entlang der Rotationsachse des Sterns ausgestoßen.

Bis heute wurden weit über 300 HH-Objekte beobachtet, jedoch hauptsächlich von Sternen mit geringer Masse. Diese spindelförmigen Jets liefern Hinweise auf die Beschaffenheit neu entstehender Sterne. Die Energie, die Enge und die evolutionären Zeitskalen von HH-Objekten dienen dazu, Modelle der Umgebung und der physikalischen Eigenschaften des jungen stellaren Objekts, das den Ausfluss antreibt, einzugrenzen.

„Ich war wirklich überrascht von der Ordnung, Symmetrie und Größe des Jets, als wir ihn zum ersten Mal betrachteten “, sagte Co-Autor Jonathan Tan von der University of Virginia in Charlottesville und der Chalmers University of Technology im schwedischen Göteborg.

Seine Entdeckung liefert Hinweise darauf, dass die Größe der HH-Jets mit der Masse des Sterns, der sie antreibt, zunehmen muss. Je massereicher der stellare Motor ist, der das Plasma antreibt, desto größer ist der Jet. Die detaillierte Filamentstruktur des Jets, die mit Webbs scharfer Auflösung im Infrarotlicht erfasst wurde, ist ein Beweis dafür, dass der Jet in interstellaren Staub und Gas eindringt. Dadurch entstehen einzelne Knoten, Bugstoßwellen und lineare Ketten.

Die in entgegengesetzte Richtungen verlaufenden Spitzen des Jets verkörpern die Entstehungsgeschichte des Sterns. „Ursprünglich befand sich das Material nahe am Stern, aber über 100.000 Jahre hinweg breiteten sich die Spitzen nach außen aus, und das Material dahinter ist ein jüngerer Ausfluss “, sagte Tan.

Ausreißer

Der Protocluster, in dem sich der gewaltige Jet befindet, liegt fast doppelt so weit vom galaktischen Zentrum entfernt wie unsere Sonne und befindet sich am Rand unserer Milchstraße.

Innerhalb des Sternhaufens bilden sich noch einige hundert Sterne. Da sie sich im galaktischen Hinterland befinden, weisen die Sterne einen Mangel an schwereren Elementen als Wasserstoff und Helium auf. Dieser wird als Metallizität gemessen und nimmt im Laufe der kosmischen Zeit allmählich zu, da jede Sterngeneration Endprodukte der Kernfusion durch Winde und Supernovae ausstößt. Die geringe Metallizität von Sh2-284 spiegelt seinen relativ unberührten Zustand wider und macht ihn zu einem lokalen Analogon für die Umgebungen im frühen Universum, die ebenfalls einen Mangel an schwereren Elementen aufwiesen.

„Webbs hervorragende Daten haben uns auch gezeigt, dass in Sh2-284 vergleichsweise mehr Sterne mit geringerer Masse zu entstehen scheinen als in näheren, metallreicheren Sternhaufen“, sagte Co-Autor Morten Andersen von der Europäischen Südsternwarte und Hauptautor einer zweiten Veröffentlichung über die Webb-Daten. „Dieser Sternhaufen ist ein hervorragendes Gebiet, die uns hilft, die Sternentstehung im gesamten Universum zu verstehen.“

„Massereiche Sterne, wie der in diesem Sternhaufen gefundene, haben einen sehr wichtigen Einfluss auf die Entwicklung von Galaxien. Unsere Entdeckung gibt Aufschluss über den Entstehungsmechanismus massereicher Sterne in Umgebungen mit geringer Metallizität, sodass wir diesen massereichen Stern als Labor nutzen können, um zu untersuchen, was in der frühen Geschichte des Kosmos vor sich ging“, fügte Cheng hinzu.

Entfaltung des Sternenteppichs

Sternjets, die durch die Gravitationsenergie angetrieben werden, die beim Massenwachstum eines Sterns freigesetzt wird, kodieren die Entstehungsgeschichte des Protosterns.

„Webbs neue Bilder zeigen, dass die Entstehung massereicher Sterne in solchen Umgebungen über eine relativ stabile Scheibe um den Stern herum erfolgen könnte, wie sie in theoretischen Modellen der Sternentstehung, der sogenannten Kernakkretion, erwartet wird“, sagte Tan. „Als wir einen massereichen Stern fanden, der diese Jets ausstößt, wurde uns klar, dass wir die Webb-Beobachtungen nutzen konnten, um Theorien zur Entstehung massereicher Sterne zu überprüfen. Wir entwickelten neue theoretische Kernakkretionsmodelle, die an die Daten angepasst waren und uns im Wesentlichen sagen, welche Art von Stern sich im Zentrum befindet. Diese Modelle implizieren, dass der Stern etwa zehnmal so massereich ist wie die Sonne, noch wächst und diesen Ausfluss antreibt.“

Seit mehr als 30 Jahren sind sich Astronomen uneinig darüber, wie massereiche Sterne entstehen. Einige glauben, dass ein massereicher Stern einen sehr chaotischen Prozess erfordert, der als kompetitive Akkretion bezeichnet wird. Im Modell der kompetitiven Akkretion fällt Material aus vielen verschiedenen Richtungen ein, sodass sich die Ausrichtung der Scheibe mit der Zeit ändert. Der Abfluss erfolgt senkrecht, oberhalb und unterhalb der Scheibe und scheint sich daher auch in verschiedene Richtungen zu drehen und zu wenden.

„Da wir nun die gesamte Geschichte kennen, haben wir festgestellt, dass die gegenüberliegenden Seiten der Jets fast 180 Grad voneinander entfernt sind. Das sagt uns, dass diese zentrale Scheibe stabil gehalten wird und bestätigt eine Vorhersage der Kernakkretionstheorie“, sagte Tan.

Wo es einen massereichen Stern gibt, könnten auch andere in diesem äußeren Randgebiet der Milchstraße existieren. Andere massereiche Sterne haben möglicherweise noch nicht den Punkt erreicht, an dem sie Ausflüsse im Stil römischer Kerzen ausstoßen. Daten des Atacama Large Millimeter Array in Chile, die ebenfalls in dieser Studie vorgestellt werden, haben einen weiteren dichten Sternkern gefunden, der sich möglicherweise in einem früheren Stadium der Entstehung befindet.

Der Artikel wurde zur Veröffentlichung im Astrophysical Journal angenommen.

Hintergrundinformationen

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

Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA und der Canadian Space Agency (CSA).

Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, Y. Cheng (NAOJ), J. DePasquale (STScI)