Wie messen wir das Alter von Sternen? Es ist vielleicht nicht so jung, wie Sie denken.

Produziert von: Science Popularization China

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

Hersteller: China Science Expo

Sterne, diese funkelnden Lichtpunkte im Universum, sind riesige Energiequellen im Universum, aber riesige Energie bedeutet nicht Ewigkeit. Sterne haben ihre eigene Lebensdauer und ihr Alter ist zu einem wichtigen und viel erforschten Thema im Universum geworden, da es nicht nur das Schicksal der Sterne selbst betrifft, sondern auch die Entwicklung des Universums beeinflusst. Wie berechnen wir also das Alter von Sternen?

Anders als bei der Berechnung unseres eigenen Alters stützt sich die Messung des Sternalters auf eine Reihe komplexer physikalischer Prozesse und Beobachtungsdaten. Astronomen untersuchen sorgfältig die Entwicklung von Sternen und beobachten ihr Spektrum, ihre Helligkeit, Farbe und andere Eigenschaften sowie ihre Wechselwirkungen mit anderer interstellarer Materie. Diese Beobachtungen und Studien helfen uns, das Alter von Sternen zu bestimmen.

In der modernen Astronomie ist die Rotations-Alters-Beziehung zu einer der wichtigsten Methoden zur Bestimmung des Alters von Sternen geworden . Diese Theorie basiert auf der Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit und dem Alter von Sternen. Durch Beobachtung der Rotationsgeschwindigkeit von Sternen können wir auf ihr Alter schließen .

Aber wenn sich in der Nähe eines Sterns ein heißer Jupiter befindet, ist das Alter des Sterns dann immer noch genau? Heute werde ich diese Frage mit Ihnen besprechen, um zu sehen, wie man das genaue Alter eines Sterns in einem heißen Jupitersystem bestimmt.

Eine Sternentstehungsregion in der Großen Magellanschen Wolke

(Bildquelle: Wikipedia)

Wie wird das Alter eines Sterns gemessen? Wer entscheidet?

Das Alter der Sterne war schon immer ein Schwerpunkt der Astronomen.

Das Rotationsaltersgesetz ist ein wichtiges Gesetz bezüglich der Beziehung zwischen Sternrotationsrate und Sternalter. Das Gesetz wurde erstmals 1972 vom Astronomen Skumanich vorgeschlagen. Dieses Gesetz beschreibt, wie sich die Rotationsgeschwindigkeit eines Sterns mit zunehmendem Alter ändert, und bietet eine Methode, das Alter eines Sterns anhand seiner Rotationsgeschwindigkeit zu schätzen.

Das von Schoeman entdeckte Gesetz basiert auf einer Reihe von Beobachtungsdaten und theoretischen Analysen und konzentriert sich hauptsächlich auf die Entwicklung der Rotationsgeschwindigkeit von Sternen im Laufe der Zeit.

Seine Forschungen zeigten, dass die Rotationsgeschwindigkeit eines Sterns in der Anfangszeit sehr hoch war, sich mit der Zeit jedoch allmählich verlangsamte. Er fasste dieses Phänomen in einer einfachen Potenzfunktion zusammen, wonach die Rotationsgeschwindigkeit eines Sterns umgekehrt proportional zur Quadratwurzel seines Alters ist .

Diese Beziehung bedeutet , dass die Rotationsgeschwindigkeit eines Sterns mit zunehmendem Alter allmählich abnimmt . Schoemans Entdeckung lieferte eine Methode zur Schätzung des Alters von Sternen anhand ihrer Rotationsgeschwindigkeit.

Weißer Zwerg: Das Ende des Lebens eines Sterns

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Obwohl das von Schoeman vorgeschlagene Rotationsaltersgesetz in einigen Fällen relativ genaue Altersschätzungen liefern kann, ist es auch notwendig, den Einfluss anderer Faktoren zu berücksichtigen, wie etwa die anfängliche Rotationsrate, die Masse und den Metallgehalt des Sterns .

Beispielsweise hängt die Lebensdauer eines Sterns eng mit seiner Masse zusammen: Sterne mit geringerer Masse leben im Allgemeinen länger, während Sterne mit größerer Masse eine kürzere Lebensdauer haben . Dennoch bietet das Gesetz einen wichtigen Bezugspunkt für die Untersuchung der Entwicklung und des Alters von Sternen.

Verteilung der Rotationsrate als Funktion der Sternmasse

(Die horizontale Achse ist die Geschwindigkeit, die vertikale Achse die Masse)

(Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Mehr als 30 Jahre später definierte Barnes vom Leibniz-Institut für Astrophysik in Deutschland durch astronomische Beobachtungen den Zusammenhang zwischen Sternmasse, Sternrotationsrate und Sternalter. Wenn die Beobachtungsgenauigkeit gut genug ist, kann der Berechnungsfehler eines einzelnen Sterns auf 10 % begrenzt werden.

Allerdings gilt die Rotations-Alters-Beziehung nicht für alle Sterne, sondern im Allgemeinen für Hauptreihensterne mit Massen zwischen dem 0,5- und 1,5-fachen der Sonnenmasse.

In diesem Massenbereich verlangsamt sich die Rotationsgeschwindigkeit der Sterne mit der Zeit, da sie allmählich ihren Drehimpuls verlieren.

Diese Verlangsamung der Rotation hängt mit dem Alter des Sterns zusammen, wobei jüngere Sterne schneller und ältere Sterne langsamer rotieren. Die Forscher gehen davon aus, dass dieser Zusammenhang durch Magnetfelder und Konvektionsbewegungen innerhalb des Sterns verursacht werden könnte .

Leibniz-Institut für Astrophysik, Forschungscampus Babelsberg, Deutschland

(Bildquelle: Offizielle Website des Leibniz-Instituts für Astrophysik in Deutschland)

Was sind heiße Jupiter? In welcher Beziehung steht es zu Jupiter?

Zuvor haben wir vorgestellt, wie man das Alter eines einzelnen Sterns anhand seiner Rotation ermittelt. Aber in unserem Universum existieren viele Sterne nicht allein. Ähnlich wie im Sonnensystem kreisen Planeten um sie und bilden Planetensysteme.

Diese Planeten gibt es in den unterschiedlichsten Formen und Größen und sie bilden komplexe und vielfältige Planetensysteme. Unter ihnen sind heiße Jupiter etwas ganz Besonderes und ihre Existenz stellt eine Herausforderung für die Theorie der Planetenentstehung dar. Als Nächstes erfahren wir mehr über diesen magischen Himmelskörper.

Das Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS)-Team der NASA hat einen der extremsten ultraheißen Jupiter aller Zeiten entdeckt, der seinen Stern in nur 16 Stunden umkreisen kann.

(Bildquelle: The Astronomical Journal)

Der erste bestätigte Exoplanet wurde 1995 von zwei Schweizer Astronomen, Didier Queloz und Michel Mayor, entdeckt, wofür sie 2019 den Nobelpreis für Physik erhielten.

Der Planet mit der Bezeichnung 51 Pegasus b ist ein heißer Jupiter. Er umkreist 51 Pegasi, einen sonnenähnlichen Stern im Sternbild Pegasus. Die Auswirkungen dieser Entdeckung sind weitreichend. Es lässt die Menschen nicht nur über die Vielfalt der Planetensysteme nachdenken, sondern eröffnet auch eine neue Ära der Suche nach Exoplaneten.

Pegasi 51b ist ein Gasriese ähnlich dem Jupiter, sein Abstand zu seinem Mutterstern Pegasi 51 ist jedoch viel geringer, viel kleiner als der Abstand zwischen der Erde und der Sonne. Diese Entfernung beträgt nur das 0,0527-fache der Entfernung zwischen Sonne und Erde . Was bedeutet das?

Künstlerische Darstellung des Exoplaneten 51 Pegasi b und seines Muttersterns.

(Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger)

Sie sollten wissen, dass Merkur, der sonnennächste Planet in unserem Sonnensystem, 0,387 Mal so weit von der Sonne zur Erde entfernt ist, also 7 Mal so weit wie Pegasus 51b.

Durch die geringe Entfernung erhält er mehr Sternstrahlung, wodurch seine Oberflächentemperatur über 1.000 Grad Celsius steigt. Bei solch hohen Temperaturen ist die Atmosphäre zu aufgebläht, sodass sein Volumen größer ist als das des Jupiters, obwohl seine Masse nur halb so groß ist wie die des Jupiters.

Bisher wurden mehr als 200 heiße Jupiter bestätigt, von denen sich die meisten in einem gezeitengebundenen Zustand befinden, d. h. eine Seite des heißen Jupiters ist immer dem Stern zugewandt .

Allerdings steht die Art und Weise, wie dieser jupiterähnliche Riesenplanet seinen Mutterstern umkreist, im Widerspruch zu den bisherigen theoretischen Vorhersagen der Wissenschaftler, denn der traditionellen Theorie zufolge sollten Planeten in größerer Entfernung von ihrem Mutterstern entstehen. Der innerste Bereich des Planetensystems kann nur terrestrische Planeten (wie Erde und Mars) beherbergen, während sich Gasriesen (wie Jupiter) nur außerhalb der „Schneegrenze“ bilden können.

Die „Schneegrenze“ markiert die großen Entfernungen von Sternen, in denen Helium und Wasserstoff, die Bausteine ​​des Gases riesiger Sterne, in einer unberührten Scheibe aus Gas und Staub existieren können, ohne durch die Strahlung der Sternwinde weggeblasen zu werden.

Viele Astronomen gehen deshalb lieber davon aus, dass diese heißen Jupiter bei ihrer Entstehung ebenfalls sehr weit von der Sonne entfernt waren, genau wie Jupiter in unserem Sonnensystem, und dann auf irgendeine Weise an ihre heutigen Positionen gewandert sind.

(Oben) Didier Queloz; (Unten) Michel Mayor

(Fotoquelle: Xinhuanet)

Nachdem wir nun wissen, was ein heißer Jupiter ist, ist auch der wesentlichste Unterschied zwischen ihm und Jupiter offensichtlich. Der entscheidende Punkt liegt in der „Wärme“. Der Grund für die Hitze liegt darin, dass er sich zu nahe am Stern befindet und zu viel Strahlung von diesem ausgesetzt ist, wodurch seine Atmosphäre auf eine sehr hohe Temperatur aufgeheizt wird.

Die mysteriöse Kraft, die die Rotation der Sterne verändert: Gezeitenkräfte

Wir wissen jetzt, wie Astronomen das Alter eines Sterns anhand seiner Rotation bestimmen können, und wir verstehen auch, was heiße Jupiter sind.

Nun sind wir wieder bei der ursprünglichen Frage: Ist das aus der Rotations-Alters-Beziehung ermittelte Sternalter bei heißen Jupitersystemen noch zuverlässig? Die Antwort ist natürlich nein.

Wenn Stern und Planet als Teilchen betrachtet werden und die Umlaufbahn des Planeten als Kreisbahn angesehen wird, bewegt sich der Planet in einer gleichmäßigen Kreisbewegung um den Stern und der Drehimpuls des Planeten bleibt erhalten.

In Wirklichkeit verformen sich Himmelskörper jedoch unter dem Einfluss der Schwerkraft. Zu diesem Zeitpunkt sind die Himmelskörper keine idealen, gleichmäßigen Kugeln. Die Umlaufbahnen der Planeten verändern sich und es kommt zu einer Drehimpulsübertragung zwischen den beiden Himmelskörpern.

Wir werden dies im folgenden Diagramm so einfach wie möglich erläutern.

Erstens führt die Schwerkraft zu einer Verformung des Körpers, wodurch Gezeitenwölbungen entstehen.

Zweitens kann man einen Himmelskörper als zwei Teile betrachten, von denen sich einer vom anderen weg und einer auf den anderen zubewegt.

Der Teil, der näher an einem anderen Himmelskörper ist, unterliegt einer größeren Gravitationskraft, während der Teil, der weiter von einem anderen Himmelskörper entfernt ist, einer geringeren Gravitationskraft unterliegt.

In Abbildung 1 sind die Rotations- und Umlaufgeschwindigkeiten gleich und die Kraftrichtung auf Sterne und Planeten zeigt immer zum Zentrum, was bedeutet, dass keine Kraft in horizontaler Richtung wirkt, d. h., es findet keine Drehimpulsübertragung zwischen Sternen und Planeten statt.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

In Abbildung 2 rotiert der Stern schneller als der Planet, sodass der Stern dem Planeten immer eine Phase voraus ist. Zu diesem Zeitpunkt hat die kombinierte Kraft von f1 und f2, die auf den Planeten wirkt, eine Komponente entlang der tangentialen Richtung der Umdrehung. Diese Komponente bewirkt, dass die Umlaufbahn des Planeten ansteigt. Aus Newtons Gravitationsgesetz wissen wir, dass die Drehzahl abnimmt.

Die kombinierte Kraft von F1 und F2, die auf den Stern einwirkt, hat eine nach rechts gerichtete Komponente, die seine Rotation verlangsamt. Dieser Vorgang kann als Übertragung des Drehimpulses des Sterns auf die Umlaufbahn des Planeten verstanden werden.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Abbildung 3 ist jedoch das Gegenteil von Abbildung 2. Die Rotationsgeschwindigkeit des Sterns ist langsamer als die Umlaufgeschwindigkeit des Planeten. Durch dieselbe Analyse können wir erkennen, dass die Planetenbahn abgesenkt, die Rotation des Sterns beschleunigt und der Drehimpuls von der Planetenbahn auf den Stern übertragen wird.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Um diese Prozesse einfach zusammenzufassen: Die langsamen müssen durch die schnellen ersetzt werden .

Durch die Rotations-Alters-Beziehung von Sternen wissen wir auch, dass die Rotation der Sterne selbst allmählich abnimmt. Die Prozesse in Abbildung 2 und Abbildung 1 werden sich schließlich in den Prozess in Abbildung 2 verwandeln. Die Informationen, die uns derzeit durch Teleskopbeobachtungen zur Verfügung stehen, sagen uns auch, dass Sterne in heißen Jupitersystemen im Allgemeinen schneller rotieren. Dies sagt uns auch, dass bei heißen Jupitersystemen das aus der Rotations-Alters-Beziehung ermittelte Sternalter korrigiert werden muss.

Die überarbeiteten Ergebnisse zum Alter von WASP-19 zeigen, dass es offenbar zu „jung“ geworden ist.

Dank der Bemühungen von Wissenschaftlern des Yunnan-Observatoriums der Chinesischen Akademie der Wissenschaften konnte das Alter von WASP-19 kürzlich korrigiert werden. Der Begleiter dieses Sterns ist ein heißer Jupiter mit einer Masse, die etwas größer ist als die des Jupiters und einer Umlaufzeit von nur 0,79 Tagen.

Bei einer so geringen Entfernung ist wahrscheinlich eine starke Gezeitenbeschleunigung der Rotation des Sterns zu erwarten. Berechnungen haben ergeben, dass die Anwesenheit dieses heißen Jupiters im Extremfall dazu führen kann, dass das Alter eines eigentlich 10 Milliarden Jahre alten Sterns fälschlicherweise auf einige Hundert Millionen Jahre geschätzt wird.

Abschluss

Die Bestimmung des Alters von Sternen erfordert von den Astronomen die Anwendung verschiedener Methoden und Theorien, um durch Beobachtung, Simulation und Berechnung weiterhin eingehende Forschungen durchzuführen und so das Geheimnis des Alters dieser kosmischen Lichter zu lüften.

Die Erforschung des Alters der Sterne liefert uns nicht nur Hinweise zum Verständnis der Entwicklung des Universums, sondern verstärkt auch unsere Ehrfurcht vor diesen funkelnden kosmischen Perlen. Sie existieren möglicherweise seit Milliarden von Jahren oder verschwinden im Laufe der Zeit allmählich, doch ihre Lebenszyklen können wir immer noch anhand ihrer verbleibenden Temperatur verstehen.

Das Gleiche gilt im Leben. So wie die Erforschung des Alters der Sterne die Geheimnisse des Universums enthüllt, sollten auch wir unser begrenztes Leben wertschätzen. Da nichts auf dieser Welt ewig ist, lasst uns in unserem begrenzten Leben erschaffen, erforschen, lieben und erleben. So wie jeder Stern seine eigene Geschichte hat, können auch wir unser eigenes strahlendes Licht im weiten Universum hinterlassen.