Eine Begegnung vor zehntausend Jahren löste einen Wirbel in der Akkretionsscheibe aus!

Während des Sternentstehungsprozesses bildet sich um den neugeborenen Stern eine Akkretionsscheibe. Diese Akkretionsscheibe, auch als „protostellare Scheibe“ bekannt, ist ein wichtiger Schritt im Sternentstehungsprozess. Neugeborene Sterne sammeln durch Akkretionsscheiben weiterhin Gas aus ihrer Umgebung und wachsen allmählich. Daher kann man sagen, dass die Akkretionsscheibe die Wiege der Geburt und des Wachstums von Sternen ist. Astronomen untersuchen seit Jahrzehnten die Akkretionsscheiben von massearmen Sternen wie der Sonne und haben dabei eine Fülle von Beobachtungs- und Theorieergebnissen erzielt. Allerdings ist noch unklar, ob Akkretionsscheiben auch bei der Entstehung massereicherer Sterne existieren, insbesondere bei frühen O-Sternen mit mehr als der 30-fachen Masse der Sonne. Diese massereicheren frühen Sterne sind mit einer bis zu Hunderttausendfach höheren Leuchtkraft weitaus heller als unsere Sonne und können die Umgebung der gesamten Galaxie dramatisch beeinflussen. Daher ist es von großer Bedeutung, den Entstehungsprozess dieser massereichen Sterne zu verstehen.

Kürzlich nutzte der assoziierte Forscher Lyu Xing vom Shanghai Astronomical Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Zusammenarbeit mit der Universität Yunnan, dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in den USA und dem Max-Planck-Institut in Deutschland hochauflösende Beobachtungsdaten des Atacama Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), um in Richtung des Zentrums der Milchstraße eine massive Akkretionsscheibe neugeborener Sterne zu entdecken, die von umgebenden Himmelskörpern dicht passiert wurde und so eine Spiralarmstruktur erzeugte. Diese neue Entdeckung beweist, dass der Entstehungsprozess massereicher Sterne dem von Sternen mit geringer Masse ähnelt und dass beide Prozesse wie Akkretionsscheiben und Vorbeiflüge durchlaufen. Die Ergebnisse wurden am 30. Mai in Nature Astronomy veröffentlicht.

Superakkretionsscheibe nahe dem Zentrum der Milchstraße

Das Zentrum der Milchstraße, etwa 26.000 Lichtjahre entfernt, ist eine einzigartige und wichtige Sternentstehungsregion. Es gibt ein supermassereiches Schwarzes Loch, Sgr A*, sowie zig Millionen Sonnenmassen an Rohmaterial für die Sternentstehung – dichtes molekulares Wasserstoffgas. Sobald dieses Gas aufgrund seiner eigenen Schwerkraft kollabiert, beginnt es, Sterne zu bilden. Allerdings herrscht im Zentrum der Milchstraße eine ganz besondere Umgebung, beispielsweise starke Turbulenzen, starke Magnetfelder und Gezeiteneffekte von Sgr A*, und diese Faktoren werden die Sternentstehungsaktivitäten drastisch beeinflussen. Daher könnte sich der Sternentstehungsprozess im zentralen Bereich der Milchstraße von dem Sternentstehungsprozess unterscheiden, den wir aus dem gesamten Sonnensystem kennen.

Dies liegt jedoch daran, dass die zentrale Region der Milchstraße zu weit von der Erde entfernt ist und zwischen dem Zentrum der Milchstraße und dem Sonnensystem eine komplexe Gasverdeckung im Vordergrund besteht. Diese Faktoren machen es für Astronomen sehr schwierig, die Sternentstehungsregion im Zentrum der Milchstraße direkt zu beobachten. Daher müssen Astronomen Teleskope mit extrem hoher Auflösung und Empfindlichkeit wählen, um die Details der Sternentstehung zu beobachten und zu untersuchen.

Das von Lu Xing geleitete Forschungsteam nutzte das ALMA-Interferometer-Array in Chile, Südamerika, um Langzeitbeobachtungen der zentralen Region der Milchstraße mit einer Auflösung von etwa 40 Millibogensekunden durchzuführen. Die Beobachtungsgenauigkeit bei einer solchen Auflösung ist so, als ob man in Shanghai stehen und einen Fußball in Peking deutlich sehen könnte.

Mithilfe solcher hochauflösender und hochempfindlicher Beobachtungen entdeckten die Forscher nahe dem Zentrum der Milchstraße eine Akkretionsscheibe mit einem Durchmesser von etwa 4.000 Astronomischen Einheiten, die um einen frühen Stern vom Typ O mit der 32-fachen Masse der Sonne rotiert. Dies ist einer der massereichsten Protosterne mit Akkretionsscheiben, die bisher entdeckt wurden, und es ist auch das erste Mal, dass Astronomen die Protosternscheibe im Zentrum der Milchstraße direkt abgebildet haben.

Diese Entdeckung zeigt, dass Akkretionsscheiben tatsächlich an der Entstehung massereicher früher Sterne vom Typ O beteiligt sind, und diese Schlussfolgerung gilt auch weiterhin für besondere Umgebungen wie das Zentrum der Milchstraße.

Externe Störungen beeinflussen die Entwicklung von Akkretionsscheiben

Das Einzigartige daran ist, dass die Akkretionsscheibe, die Wissenschaftler wie Lu Xing beobachtet haben, ein Paar offensichtlicher Spiralarmstrukturen aufweist. Diese Spiralarmstruktur kommt in galaktischen Scheiben häufig vor, ist in protostellaren Scheiben jedoch selten. Es wird allgemein angenommen, dass diese Spiralarmstruktur durch die Gravitationsinstabilität der Akkretionsscheibe selbst verursacht wird, die zu ihrer Fragmentierung führt. Diese Studie ergab, dass die Gastemperatur und Turbulenz in der Akkretionsscheibe dieses massereichen frühen Sterns vom Typ O hoch genug sind, um die Stabilität der Akkretionsscheibe selbst aufrechtzuerhalten. Daher glauben die Forscher, dass es eine weitere mögliche Erklärung gibt: dass die Spiralarme durch äußere Störungen entstanden sind. Einige tausend Astronomische Einheiten von dieser Akkretionsscheibe entfernt befindet sich zufällig ein Objekt mit der dreifachen Masse der Sonne, das die Quelle der externen Störung sein könnte.

Um diese Hypothese zu überprüfen, untersuchten die Forscher zunächst mithilfe analytischer Berechnungen Dutzende möglicher historischer Flugbahnen dieses Himmelskörpers und fanden heraus, dass nur bei einer einzigen Flugbahn eine Störung der Akkretionsscheibe möglich war. Anschließend nutzten die Forscher eine numerische Simulation auf der Hochleistungs-Supercomputerplattform des Shanghai Astronomical Observatory, um diese Flugbahn zu verfolgen. Sie rekonstruierten damit den vollständigen Vorgang, wie dieser Himmelskörper vor mehr als 10.000 Jahren die Akkretionsscheibe passierte und die Spiralarmstruktur in der Akkretionsscheibe aufwirbelte. Es ist erwähnenswert, dass diese Art der numerischen Simulation sehr zeitaufwändig ist und etwa eine Woche in Anspruch nimmt. Da die Forscher durch analytische Berechnungen bereits im Vorfeld die einzig geeignete Flugbahn ermittelten, war es nicht nötig, immer wieder unterschiedliche physikalische Bedingungen auszuprobieren. Stattdessen treffen sie das Ziel in einem Durchgang und sparen so viel Zeit. Am Ende stimmten die Ergebnisse der analytischen Berechnungen und numerischen Simulationen vollständig mit den Beobachtungen überein. Daher handelt es sich bei den Spiralarmen in dieser Akkretionsscheibe wahrscheinlich um Relikte, die von den umliegenden Himmelskörpern hinterlassen wurden.

Diese Entdeckung ist ein klarer Beweis dafür, dass die Entwicklung von Akkretionsscheiben in den frühen Stadien der Sternentstehung häufig durch dynamische Prozesse wie Vorbeiflüge beeinflusst wird, die wiederum erhebliche Auswirkungen auf die Entstehung von Sternen und Planeten haben. Daher dürfen wir bei der Untersuchung der Entwicklung von Akkretionsscheiben diese nicht als isolierte Systeme behandeln, sondern müssen diese dynamischen Effekte ernsthaft berücksichtigen.

Interessanterweise gibt es Hinweise darauf, dass vor etwa 70.000 Jahren ein Doppelsternsystem namens Schulz' Stern dicht an das Sonnensystem heranflog, wodurch möglicherweise die Oortsche Wolke gestört und eine Gruppe von Kometen in das innere Sonnensystem geschickt wurde. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass solche Vorbeiflüge bei Sternen mit größerer Masse, insbesondere in Umgebungen mit hoher Sterndichte wie dem Zentrum unserer Milchstraße, extrem häufig sein sollten.

Der Entstehungsprozess dieses massereichen Sterns ähnelt dem von massearmen Sternen wie der Sonne. Beide beinhalten Akkretionsscheiben und Vorbeiflüge. Obwohl die Massen unterschiedlich sind, sind einige physikalische Mechanismen des Sternentstehungsprozesses gleich. Dies liefert wichtige Hinweise zur Lösung des Rätsels der Entstehung massereicher Sterne. Lv Xing sagte: „Wir haben einen neuen ALMA-Beobachtungsantrag eingereicht, in der Hoffnung, die Auflösung noch einmal um das Dreifache zu erhöhen und das Teleskop an seine Grenzen zu bringen, um die in dieser Akkretionsscheibe verborgenen Details zu sehen.“