Warum ist der „entlaufene Stern“ im Universum plötzlich entkommen?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Guo Yanjun (Yunnan Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Im riesigen Universum sind Sterne wie Sand, und frühe Ausreißersterne sind die mysteriösesten Reisenden in diesem Sternenmeer. Sie waren wie Pfeile, die plötzlich von der riesigen Hand des Universums geworfen wurden, mit erstaunlicher Geschwindigkeit durch die stille Leere schnitten und schillernde und kurze Spuren hinterließen. Die meisten dieser Sterne wurden in den geschäftigen Ecken der Milchstraße geboren, vielleicht im Herzen eines dichten Sternhaufens oder Nebels, aber angetrieben von einer unbekannten Kraft lösten sie sich von den ursprünglichen Schwerkraftbeschränkungen und begaben sich auf eine einsame Wanderreise.

Was ist ein „schnell laufender Stern vom frühen Typ“?

Wenn Chemikalien verbrennen, zeigen die unterschiedlichen Temperaturen und Elemente in der Substanz einzigartige Spektren und Farben. Daher können Astronomen die elementare Zusammensetzung und die effektive Temperatur eines Himmelskörpers ermitteln, indem sie sein Spektrum analysieren. Abhängig von der effektiven Temperatur unterteilen Astronomen Sternspektren in die Typen O, B, A, F, G, K, M, R, N und S.

Im Allgemeinen werden Sterne mit höheren effektiven Temperaturen wie die Typen O, B und A als „Sterne vom frühen Typ“ bezeichnet, und Sterne mit niedrigeren effektiven Temperaturen wie die Typen K und M als „Sterne vom späten Typ“.

Der Rest wird als „Zwischensterne“ bezeichnet und besteht aus etwa 30 % O-Sternen und 5–10 % B-Sternen, die sich in der Milchstraße normalerweise mit einer ursprünglichen Raumgeschwindigkeit von über 30–40 km/s bewegen, was etwa der 1.000-fachen Geschwindigkeit einer Rakete entspricht und die normale Bewegungsgeschwindigkeit der meisten Sterne bei weitem übersteigt. Bei diesen Sternen handelt es sich um die sogenannten „Runaway Stars“. Ausreißersterne oder „schnelle Ausreißer im Universum“ sind eine besondere Art von Sternen, die sich im Gegensatz zu den meisten Sternen nicht stetig um das Zentrum der Milchstraße bewegen, sondern ihren Geburtsort mit sehr hoher Geschwindigkeit verlassen.

Warum sind frühe Runaway-Stars so wichtig?

Die Untersuchung der Entstehungsmechanismen von außer Kontrolle geratenen Sternen ist von großer Bedeutung für unser Verständnis von Supernova-Explosionsmodellen, speziellen Doppelsternsystemen, der Entwicklung von Doppelsternen usw. Die Entstehungsmechanismen von außer Kontrolle geratenen Sternen können hauptsächlich zwei Typen zugeordnet werden. Eine davon ist das Szenario einer binären Supernova (Abbildung 1), bei dem sich zwei Sterne sehr nahe kommen und zu einem Doppelsternsystem verschmelzen, das sich gegenseitig umkreist.

Abbildung 1: Der Entstehungsverlauf von Doppelsupernovas aus außer Kontrolle geratenen Sternen

(Bildquelle: Referenz 1)

Bei diesem Paar wird der massereichere Stern durch eine asymmetrische Supernova-Explosion mit Kernkollaps herausgeschleudert und bildet einen außer Kontrolle geratenen Stern. Darüber hinaus sind die Sterne in dichten Sternhaufen wie Teilnehmer eines Gesellschaftstanzes, bei dem sie ständig miteinander hin und her pendeln. In dieser Umgebung mit hoher Dichte können die komplexen Wechselwirkungen von Mehrkörpersystemen einige Sterne unerwartet aus ihrem ursprünglichen Stadium stoßen und sie zu Einzelgängern machen, die durch die Milchstraße reisen (siehe Abbildung 2 für das Szenario der dynamischen Ausstoßung).

Abbildung 2: Dynamischer Auswurfpfad eines außer Kontrolle geratenen Sterns

(Bildnachweis: ESA/Hubble Media)

LAMOST steht für „Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope“, auch bekannt als „Guo Shoujing Telescope“. Es handelt sich um ein unabhängig entwickeltes Teleskop des Nationalen Astronomischen Observatoriums der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Es ist das weltweit größte Teleskop mit großem Sichtfeld, großer Apertur und der höchsten spektralen Erfassungsrate. Es kann eine große Menge optischer Spektren erfassen.

Gaia ist die Abkürzung für Global Astrometric Interferometer for Astrophysics. Es ist eines der wichtigsten Projekte der Europäischen Weltraumorganisation. Seine Einführung wird die Genauigkeit menschlicher astronomischer Messungen erheblich verbessern und die notwendigen Daten liefern, um eine Reihe wichtiger Probleme im Zusammenhang mit der Entstehung, Struktur und Entwicklungsgeschichte der Milchstraße zu lösen.

Auf Grundlage einer großen Menge von Beispieldaten, die mit modernster Beobachtungsausrüstung gewonnen wurden, ist den Astronomen das Aussehen des außer Kontrolle geratenen Sterns klarer geworden. In früheren Beobachtungsstudien wurden einige außer Kontrolle geratene Sterne entdeckt, für die meisten Proben fehlten jedoch konsistente Messdaten zur Radialgeschwindigkeit. Die 229 diesmal entdeckten frühen außer Kontrolle geratenen Sterne sind die größte Stichprobe mit konstanter Radialgeschwindigkeit in der bekannten Forschung zu außer Kontrolle geratenen Sternen, die auf astronomischen Daten von Gaia basiert.

Die Radialgeschwindigkeit wird in der Astronomie auch oft als Radialgeschwindigkeit (Vr) bezeichnet und bezeichnet die Geschwindigkeit, mit der sich ein Objekt (beispielsweise ein Himmelskörper) in Richtung der Sichtlinie des Beobachters bewegt. Diese Geschwindigkeitskomponente spiegelt die dynamischen Eigenschaften des Objekts in Richtung des Beobachters oder von ihm weg wider. Die scheinbare Geschwindigkeit und die Tangentialgeschwindigkeit bilden zusammen die Raumgeschwindigkeit, die für das Studium der Bewegungsgesetze von Himmelskörpern und die Erforschung der Struktur und dynamischen Eigenschaften des Universums von großer Bedeutung ist. Aus der projizierten Rotationsgeschwindigkeit kann auf die tatsächliche Rotationsgeschwindigkeit von Himmelskörpern geschlossen werden.

Basierend auf der Verteilung der projizierten Rotationsgeschwindigkeit und Raumgeschwindigkeit dieser Probenmenge stellten die Forscher fest, dass in dieser Probe die meisten außer Kontrolle geratenen Sterne eine geringere projizierte Rotationsgeschwindigkeit und Raumgeschwindigkeit aufweisen, es jedoch fast keine außer Kontrolle geratenen Sterne mit gleichzeitig höherer projizierter Rotationsgeschwindigkeit und Raumgeschwindigkeit gibt (wie in Abbildung 3 gezeigt). Diese Eigenschaft könnte eng mit der Entstehungsgeschichte außer Kontrolle geratener Sterne zusammenhängen.

Abbildung 3: Zusammenhang zwischen der räumlichen Eigengeschwindigkeit eines außer Kontrolle geratenen Sterns und seiner projizierten Rotationsgeschwindigkeit

(Bildquelle: Referenz 2)

Die Forscher untersuchten außerdem die räumliche Verteilung der Stichproben außer Kontrolle geratener Sterne in der Milchstraße und fanden heraus, dass sich die meisten dieser außer Kontrolle geratenen Sterne in der dünnen Scheibe der Milchstraße befinden könnten. Durch die Durchführung einer Orbitalanalyse der außer Kontrolle geratenen Sterne in dieser Stichprobe mit mehreren Radialgeschwindigkeitsmessungen entdeckten die Forscher auch zwei Proben, bei denen es sich möglicherweise um Doppelsterne mit außer Kontrolle geratenen Sternen handelt, mit Umlaufzeiten von 40 bzw. 61 Tagen.

Abschluss

Ausreißersterne spielen eine wichtige Rolle bei der Erforschung hochaktueller Themen wie der Struktur der Milchstraße und Supernova-Explosionen. Als nächstes werden die Forscher anhand dieser statistisch aussagekräftigeren Referenzproben den Ursprung außer Kontrolle geratener Sterne weiter untersuchen. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der astronomischen Beobachtungstechnologie und die kontinuierliche Verbesserung der Datenanalysemöglichkeiten werden wir in der Lage sein, den interstellaren Staub zu durchdringen, das schwächste Licht ferner Galaxien einzufangen und riesige astronomische Datenmengen in den goldenen Schlüssel umzuwandeln, der uns die Geheimnisse des Universums enthüllt. Eines Tages werden die Geheimnisse der außer Kontrolle geratenen Sterne nach und nach gelüftet und sie werden zu einer wichtigen Brücke zwischen der Sternentwicklung, der Galaxiendynamik und sogar der großräumigen Struktur des Universums.

Quellen:

1. Renzo, M., Zapartas, E., de Mink, SE, et al. 2019, A&A, 624, A66.

2.Guo, Y., Wang, L., Liu, C., et al. 2024, ApJS.