Das turbulente Leben massereicher Sterne erforschen
Unser Wissen über die Entwicklung massereicher Sterne von ihrer Entstehung bis zum spektakulären Untergang in Form von explodierenden Supernovae ist nach wie vor eher unvollständig. Der Prozess wird von mehreren Schlüsselfaktoren bestimmt, was eine genaue Vorhersage ihrer Lebenszyklen zu einer wissenschaftlichen Herausforderung werden lässt. Zu den kritischen Parametern, die bestimmen, wie sich ein massereicher Stern entwickelt, zählen seine Anfangsmasse, die Rotationsgeschwindigkeit, die chemische Zusammensetzung und die internen Mischungsprozesse. Der Massenverlust durch stellare Winde und Masseneruptionen stellt jedoch einen der entscheidendsten Einflüsse dar. All diese Faktoren sind nicht statisch, sondern ändern sich auf drastische Weise, wenn der Stern seine Lebensphasen durchläuft. Diese Veränderungen zu verstehen, ist wichtig, um genaue Vorhersagen über das endgültige Schicksal eines Überriesen treffen zu können – ob er zum Schwarzen Loch kollabiert oder zum Neutronenstern wird.
Komplexe Zustände und Wechselwirkungen bei massereichen Sternen
Das Team des Projekts POEMS erkundete mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen die Winde und Massenverluste massereicher Sterne, und das insbesondere während extremer Entwicklungsstadien. Diese Zustände werden oft mit leuchtenden Überriesen und Hyperriesen in Verbindung gebracht, d. h. massereichen Sternen, die kurze Übergangsphasen durchlaufen. Während dieser Phasen sind bei den Sternen über kurze Zeiträume heftige Massenauswürfe zu verzeichnen. Die genauen Mechanismen, die diese Eruptionen auslösen, sind jedoch nach wie vor nicht bekannt. „Unser primäres Ziel bestand darin, diese plötzlichen Massenauswurfphasen besser zu verstehen und zu quantifizieren, wie viel Material ausgestoßen wird“, erklärt Projektkoordinatorin Michaela Kraus. Die Forschenden analysierten außerdem die chemische Zusammensetzung und die physikalische Struktur des während der Auswurfphasen ausgestoßenen Materials. „Dadurch ist zu begreifen, wie diese ausgestoßene Materie mit der umgebenden interstellaren Umgebung interagiert, da sie die dynamische und chemische Entwicklung der diese Sterne beherbergenden Galaxien maßgeblich beeinflusst“, erklärt Kraus. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit von POEMS war die Rolle der Sternvielfalt und insbesondere die Frage, wie Wechselwirkungen in Doppelsternsystemen oder Sternverschmelzungen zu diesen extremen Phasen bei massereichen Sternen beitragen.
Neue Modelle für stellare Winde, Strukturen und Instabilitäten
„Eine wichtige Entwicklung bestand in der Erschaffung neuer hydrodynamischer Modelle zur Simulation von Sternwinden und der Bildung zirkumstellarer Strukturen wie Bögen, Ringe, Schalen und Scheiben. Mithilfe dieser Modelle wurden neue Rezepte für den Massenverlust gefunden“, erklärt Kraus. Ein weiterer wichtiger Beitrag war die Entwicklung innovativer Strahlungstransportcodes zur Analyse der Emissionen von Elementen in zirkumstellaren Umgebungen, einschließlich Atomgas, molekularer Gase und Staub. Diese Werkzeuge boten die Flexibilität zur Modellierung der Emissionen verschiedener Strukturen wie etwa von Kugelschalen und zirkumstellaren Scheiben. „Wir haben überdies Pulsationsinstabilitäten erkundet, die plötzliche Masseneruptionen auslösen können. Anhand der Ergebnisse dieser Forschungsarbeit konnten wir beobachtete Eigenschaften extrem massereicher Sterne wie etwa ihre quasi-periodische Lichtvariabilität und ihr Ausbruchsverhalten mit theoretischen Vorhersagen korrelieren“, legt Kraus dar.
Wertvolle Erkenntnisse aus Beobachtungsdaten gewinnen
Das Team von POEMS sammelte umfangreiche Daten von renommierten erdgebundenen Observatorien wie zum Beispiel ESO und GEMINI sowie von Weltraumteleskopen wie TESS und GAIA. Dank dieser Beobachtungsdaten wurden wertvolle Details über massereiche Sterne, ihre Winde, ihr Pulsationsverhalten und ihre klein- und großräumige Umgebung offenbar. „Mithilfe dieser Forschung entdeckten wir zahlreiche bisher unbekannte Ejekta und Nebel sowie viele Massenverluste, die Supernovaexplosionen vorausgehen. Diese Entdeckungen haben uns dazu veranlasst, die späten Entwicklungsstadien massereicher Sterne neu zu bewerten“, erklärt Kraus. „Wir verstehen jetzt die massereiche Überriesen und Hyperriesen beeinflussenden Instabilitäten besser, wodurch wir die Gründe für ihre heftigen Ausbrüche und die ihr ausgestoßenes Material formenden Kräfte nachvollziehen können. Im Rahmen unserer Arbeit wurden ebenfalls die physikalischen Bedingungen in der Umgebung vieler entwickelter massereicher Sterne innerhalb von Galaxien der lokalen Gruppe, einer Ansammlung von über achtzig Galaxien, einschließlich der Milchstraße, erforscht“, fasst Kraus zusammen.
Schlüsselbegriffe
POEMS, massereiche Sterne, Masseverlust, Sternwind, Massenausbruch, Massenausstoß
