Wie findet man die „Brüder und Schwestern“ der Sonne? Diese drei Voraussetzungen sind unabdingbar!

Heute ist es weniger heiß. Auch wenn es noch nicht die heißeste Zeit des Jahres ist, wird die „Kraft“ der Sonne nach und nach voll unter Beweis gestellt. Die sengende Sonne erinnert uns an den Mythos „Houyi schießt auf die Sonne“. In alten Zeiten gab es zehn Sonnen, die alle Söhne des Himmelskaisers waren. Als sie gleichzeitig auftraten, herrschten hohe Temperaturen, alle Ernten und Pflanzen wurden verbrannt und die Menschen litten. Yao schickte den Bogenschützen Houyi, um neun Sonnen abzuschießen und die Menschen zu retten.

Obwohl dies nur eine Legende ist, haben Sie jemals über diese Frage nachgedacht: Hat die Sonne wirklich Brüder und Schwestern? Die Antwort ist ja, und es gibt viele davon, aber die Sonne hat sich vor langer Zeit von ihren Brüdern und Schwestern getrennt und wandert allein durch die Milchstraße.

Abbildung 1. Künstlerische Darstellung des Sonnensystems (Bild mit freundlicher Genehmigung von ESA–Silicon Worlds)

01Die Geburt der Sonne

Vor 4,6 Milliarden Jahren entstand das Sonnensystem in einem Nebel, der sich über mehrere Lichtjahre erstreckte. Es war mit Gas und Staub gefüllt. Auch alle materiellen Elemente, aus denen wir bestehen, stammen von hier, darunter der Kohlenstoff in unserem Körper und der Sauerstoff, den wir atmen. Der amerikanische Astronom Carl Sagan sagte: „Wir bestehen alle aus Sternenstaub.“ Eine zufällige äußere Kraft oder Störung löste die Gravitationsinstabilität des Nebels aus. Viele Klumpen begannen zu kollabieren, und der Kern nahm langsam das umgebende Gas auf und wuchs allmählich. Nach zig Millionen Jahren kam es schließlich im Kerngebiet zur Wasserstofffusion und es entstanden Sterne. Unter ihnen ist unsere Sonne ein gewöhnlicher und doch außergewöhnlicher Stern. In diesem Nebel könnten Tausende von Sternen entstanden sein, die alle Brüder und Schwestern der Sonne sind. Die neugeborenen massereichen Sterne strahlen gleißendes Licht und Sternwinde aus und blasen nach und nach das verbleibende Gas und den Staub weg, sodass ein Sternhaufen zurückbleibt.

Nach der Geburt der Sonne und ihrer Brüder und Schwestern wurde der Sternhaufen aufgrund der Anziehungskraft anderer Sterne und der Rotation der Milchstraße nach Millionen von Jahren zu einer losen Gruppe. Nach Milliarden von Jahren liefen sie jeweils in eine andere Richtung, entfernten sich allmählich immer weiter, zerstreuten sich über die gesamte Milchstraße und standen sich aus der Ferne gegenüber. Daher ist der Standort unserer heutigen Galaxie nicht der Geburtsort der Sonne und die uns am nächsten gelegenen Sterne sind nicht die Brüder und Schwestern der Sonne. Wo also ist die Heimatstadt der Sonne? Wie geht es seinen Brüdern und Schwestern jetzt? Werden wir sie nach Milliarden von Jahren unter den Hunderten von Milliarden Sternen in der Milchstraße finden können?

Abbildung 2. Eine Ecke des Schlangennebels, fotografiert vom James-Webb-Teleskop. Die hellen Flecken im Nebel sind neugeborene Sterne. (Bilder von NASA, ESA, CSA, STScI, Klaus Pontoppidan (STScI), Alyssa Pagan (STScI), siehe „Ins Hunderte von Lichtjahren entfernte Universum reisen, um „eine Ausstellung zu sehen“? Dieses astronomische Teleskop malt ein Bild der „Wiege“ der Sterne!“

02 Die „DNA“ der Sterne – Elementverhältnisse

In der Milchstraße gibt es Tausende von Sternen. Woher wissen wir, welche die Brüder und Schwestern der Sonne sind? Für uns Menschen ist ein DNA-Test die zuverlässigste Methode, die Verwandtschaft zu bestätigen. Sterne, die im selben Nebel geboren wurden, haben ein ähnliches Alter und das gleiche Verhältnis chemischer Elemente. Astronomen messen die Elementverhältnisse von Sternen und versehen jeden Stern mit einer chemischen Kennzeichnung. Diese Bezeichnung ist die „DNA“ des Sterns (wie oben), die die Beziehung zwischen verschiedenen Sternen bestimmen kann.

Mit dieser Methode haben Astronomen viele Sterne gefunden, deren Elementverhältnisse denen der Sonne sehr nahe kommen. Im Sternhaufen M67 weisen die meisten Sterne ähnliche Elementverhältnisse wie die Sonne auf und das Alter dieses Haufens liegt zwischen 3,5 und 4,8 Milliarden Jahren, was nahe am Alter der Sonne liegt. Viele Astronomen haben darüber spekuliert, ob die Sonne aus dem Sternhaufen M67 entstanden ist. Von diesem Cluster löste es sich bereits in seinen Anfangsjahren.

Wenn wir uns ausschließlich auf die chemischen Etiketten verlassen, besteht immer noch eine hohe Wahrscheinlichkeit einer Fehleinschätzung. Denn die Genauigkeit einer einheitlichen Messung der Elementverhältnisse einer großen Zahl von Sternen ist nicht hoch genug. Darüber hinaus beruht diese Methode auf zwei Annahmen: Erstens ist die Verteilung der Elemente im Nebel gleichmäßig; zweitens ist das Verhältnis der Elemente in jedem Nebel einzigartig. Diese beiden Annahmen sind jedoch nicht ganz richtig.

Abbildung 3: Sternhaufen M67. (Bild von https://apod.nasa.gov/apod/ap070809.html, Bildnachweis und Copyright: Verarbeitung – Noel Carboni, Bildgebung – Greg Parker)

03 Wie findet man die Brüder und Schwestern der Sonne?

Gibt es also eine andere Möglichkeit, um zu bestätigen, ob die Mitglieder des M67-Clusters die Brüder und Schwestern der Sonne sind? Alle Sterne der Milchstraße drehen sich um das Zentrum der Galaxie, genau wie die acht Planeten um die Sonne kreisen. Die Sonne bewegt sich derzeit mit einer Geschwindigkeit von etwa 230 Kilometern pro Sekunde um das Zentrum der Milchstraße und benötigt für eine Umlaufbahn schätzungsweise 230 Millionen Jahre. Seit seiner Entstehung hat er mehr als 20 Umlaufbahnen absolviert, je nachdem, wo die Sonne geboren wurde und welchen Weg er zurückgelegt hat. Wir kennen die Geschwindigkeit und Richtung der Sonnenbewegung relativ zum Zentrum der Milchstraße. Unter Berücksichtigung des Gravitationspotenzials der Milchstraße können wir die Bewegungsbahn der Sonne über die letzten 20 Umlaufbahnen simulieren. Natürlich müssen wir auch den Einfluss anderer Himmelskörper auf die Flugbahn der Sonne berücksichtigen, daher besteht bei diesem Simulationsergebnis noch eine gewisse Unsicherheit.

Wenn die Sonne vom Sternhaufen M67 „von zu Hause weggelaufen“ ist, dann müssen sich ihre Bewegungsbahnen in den vergangenen Milliarden Jahren an einem bestimmten Punkt gekreuzt haben. Dies ist die Zeit und der Ort, als die Sonne M67 verließ. Zuvor sollten die Bewegungsbahnen der Sonne und von M67 gleich sein. Die neuesten Simulationsergebnisse zeigen, dass die Sonne unter bestimmten Bedingungen, wie etwa der Kollision zwischen M67 und einem oder mehreren Nebeln, aus dem Haufen ausbrechen und ihre derzeitige Umlaufbahn erreichen kann, ein solches Kollisionsereignis jedoch wahrscheinlich zum Zerfall des M67-Haufens führen würde. Ob M67 der Muttersternhaufen der Sonne ist oder nicht, muss von den Astronomen noch weiter erforscht werden.

Kurz gesagt: Um festzustellen, ob ein Stern ein Geschwisterstern der Sonne ist, müssen die folgenden drei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein: Erstens muss er ein ähnliches Alter wie die Sonne haben; zweitens stimmt das Verhältnis der chemischen Elemente mit dem der Sonne überein; und drittens hat sich seine Bewegungsbahn irgendwann im Laufe der letzten paar Milliarden Jahre mit der der Sonne gekreuzt.

04 Brüder und Schwestern gefunden

Durch die Kombination von Alter, chemischen Signaturen und kinematischen Eigenschaften der Sterne fanden Astronomen einige isolierte Sterne, bei denen es sich wahrscheinlich um Geschwister der Sonne handelt. Der erste Stern mit der Nummer HD 162826 wurde 2014 entdeckt. Er ist 110 Lichtjahre von uns entfernt. Er ist etwas größer als die Sonne und hat einen Durchmesser, der 1,3-mal so groß ist wie der der Sonne. Dieser Stern erfüllt alle drei der oben genannten Bedingungen.

Der zweite wurde 2018 entdeckt und trägt die Nummer HD 186302 , 185 Lichtjahre von uns entfernt. Spätere detailliertere Bewegungsbahnsimulationen ergaben jedoch, dass er die dritte Bedingung nicht erfüllte. Im Jahr 2020 wurde ein weiterer Stern mit der Nummer 2M19354742+4803549 entdeckt. Es ist etwa 1.100 Lichtjahre von uns entfernt. Er ist kleiner als die Sonne und sein Durchmesser beträgt das 0,8-fache des Sonnendurchmessers. Doch im Jahr 2022 zeigten detailliertere Spektralbeobachtungsdaten, dass der Stern sehr jung ist, etwa 36 Millionen Jahre alt, und daher kein Geschwisterstern der Sonne sein kann.

Es gibt Hunderte anderer Kandidaten, die Brüder und Schwestern der Sonne sein könnten, aber die aktuellen Ergebnisse sind noch sehr unsicher und wir können sie weder bestätigen noch völlig ausschließen. Die oben genannten drei Sterne wurden aus den Beobachtungsdaten von Hunderttausenden von Sternen ausgewählt und zwei davon wurden durch nachfolgende Untersuchungen ausgeschlossen. Man erkennt, dass es unter den Hunderten von Milliarden Sternen in der Milchstraße so schwierig ist, die Brüder und Schwestern der Sonne zu finden, wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen.

Abbildung 4. Der Standort von HD 162826 (markiert durch einen roten Kreis). (Bildnachweis: Tomruen/Creative Commons)

Woher kommen wir? Auch für die Sun bleibt diese Frage unbeantwortet. Obwohl die Sonne der Stern ist, den wir am besten kennen und am meisten erforscht haben, gibt es noch immer viele ungelöste Rätsel über die Entstehung der Sonne und des gesamten Sonnensystems. Die Geschwister der Sonne zu finden, wird dabei helfen, diese Rätsel zu lösen, beispielsweise die Frage: Woher kommt die Sonne? Wie sind Sie dorthin gekommen, wo Sie jetzt sind? Wie war die Umwelt im frühen Sonnensystem? Welchen Einfluss hat es auf die Entstehung von Planeten im Sonnensystem? Welche Auswirkungen hat es auf die Umwelt, die für die Entstehung von Leben erforderlich ist?

Es ist unmöglich, dass die Sonne und ihre Brüder und Schwestern wieder zusammenkommen, aber hoffentlich können wir sie eines Tages finden und ein Familienfoto von ihnen machen.

Quellen:

1. Elementhäufigkeiten solarer Geschwisterkandidaten – NASA/ADS (harvard.edu)

2. Das AMBRE-Projekt: Suche nach den nächsten Geschwistern der Sonne - NASA/ADS (harvard.edu)

3. Suche nach Sonnengeschwistern in APOGEE und Gaia DR2 mit N-Körper-Simulationen – NASA/ADS (harvard.edu)

4. 2205.01112.pdf (arxiv.org)

Autor: Yan Zhen, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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