Wissenschaftler entdeckten neun ultralithiumreiche Zwerge gleichzeitig auf Grundlage des mittelauflösenden Spektrums von LAMOST

Autor | LAMOST Betriebs- und Entwicklungszentrum

Kürzlich entdeckten Wissenschaftler auf der Grundlage des LAMOST-Spektrums mittlerer Auflösung gleichzeitig neun noch nicht entwickelte Sterne mit extrem hohem Lithiumgehalt, sogenannte superlithiumreiche Zwerge. Einer der superlithiumreichen Zwerge hat einen Lithiumgehalt, der 31-mal so hoch ist wie der der Sonne (4,8 dex). Diese Entdeckung brach den Rekord für den Lithiumgehalt dieses Sterntyps und machte ihn zum „Lithiumkönig“ in der Welt der Zwergsterne.

Zuvor hatten Astronomen nur vier ähnliche ultralithiumreiche Zwerge entdeckt. Was ist LAMOST-Spektroskopie mit mittlerer Auflösung und warum kann sie so hochauflösende Ergebnisse erzielen? Kann diese Entdeckung die Beziehung zwischen dem Ursprung und dem Evolutionsmechanismus von Lithiumelementen in superlithiumreichen Zwergen aufdecken?

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Haben Sterne unterschiedliche Höhen?

Bevor wir herausfinden können, was ein superlithiumreicher Zwerg ist, müssen wir zunächst verstehen, was ein Zwergstern ist und was im Gegensatz dazu Riesensterne sind. Sterne durchlaufen wie Menschen verschiedene Stadien der Geburt, des Wachstums, des Alterns und des Todes. Das Volumen und die Temperatur von Sternen verändern sich in verschiedenen Entwicklungsstadien ihres Lebenszyklus. Junge und reife Sterne im stabilen Hauptreihenstadium werden Zwergsterne genannt und die Sterne haben zu diesem Zeitpunkt noch nicht begonnen, sich zu entwickeln.

Nachdem der Wasserstoffkern im Zentrum des Sterns ausgebrannt ist, entwickelt sich der Stern allmählich vom Hauptreihenstadium zu einem Roten Riesen. Was die Vitalität des Roten Riesen weiterhin aufrechterhält, ist das Verbrennen der Wasserstoffhülle außerhalb des Heliumkerns. Durch die Ausdehnung der äußeren Hülle wird der Stern „dicker“, daher auch der Name „Riesenstern“. Anschließend entwickelt sich der Rote Riese weiter zu späteren roten Sternhaufensternen und asymptotischen Astriesen. Sterne in diesen Evolutionsstadien werden „Riesen“ genannt.

Nehmen wir die Sonne, die wir kennen, als Beispiel: Die Sonne ist derzeit ein gelber Zwergstern, der sich noch nicht entwickelt hat. Wenn er sich zu einem roten Riesen entwickelt, wird sein Volumen auf etwa das Millionenfache seiner aktuellen Größe anwachsen.

Schematische Darstellung der Sonne als noch nicht entwickelter gelber Zwerg. Bildquelle: Veer Gallery

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Wo ist der Gott der LAMOST-Spektroskopie mit mittlerer Auflösung?

Viertausend Glasfaserkabel erstrecken sich über den Himmel und zig Millionen Spektren erforschen die Geheimnisse des Universums. Dies ist das Guo Shoujing-Teleskop (LAMOST), bekannt als „König der Spektren“. LAMOST ist ein neuartiges optisches astronomisches Teleskop mit großem Sichtfeld und großer Blendenöffnung, das von chinesischen Wissenschaftlern unabhängig entwickelt wurde und über viele international bahnbrechende Technologien verfügt. Es handelt sich außerdem um die erste große nationale wissenschaftliche und technologische Infrastruktur meines Landes im astronomischen Bereich. Im letzten Jahrzehnt war LAMOST federführend bei der Entwicklung groß angelegter internationaler Spektraluntersuchungsprojekte und ist das weltweit erste Untersuchungstool, das mehr als 10 Millionen Spektraldaten veröffentlicht hat.

Guo Shoujing-Teleskop | Bildquelle: Science and Technology Daily

Von September 2012 bis Juni 2017 hat LAMOST seine erste spektrale Untersuchungsmission mit niedriger Auflösung erfolgreich abgeschlossen. Im Oktober 2018 startete LAMOST offiziell die zweite Phase der Spektraluntersuchungen mit abwechselnd mittlerer und niedriger Auflösung, die voraussichtlich im Juni 2023 enden wird. Einfach ausgedrückt dient die sogenannte Himmelsuntersuchung mit niedriger Auflösung dazu, die grundlegenden Identitätsinformationen von Himmelskörpern zu gewinnen, während die Himmelsuntersuchung mit mittlerer Auflösung neben den grundlegenden Identitätsinformationen von Himmelskörpern auch detaillierte chemische DNA-Informationen liefern kann, die zu einem besseren Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Himmelskörpern beitragen.

In den letzten Jahren haben Astronomen den absoluten Vorteil der spektralen Daten mittlerer Auflösung von LAMOST voll ausgenutzt und bahnbrechende Fortschritte in hochmodernen wissenschaftlichen Bereichen wie der Suche nach seltenen Himmelskörpern, der Sternphysik sowie der Entwicklung und den Eigenschaften von Doppelsternen erzielt.

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Lithium ist das Schlüsselelement zu den Geheimnissen des Universums

Lithium ist ein Schlüsselelement, das den Urknall, interstellare Materie und Sterne verbindet. Ihre Entwicklung im Universum und in den Sternen war schon immer ein wichtiges Thema in der Astronomie. Allerdings ist das Wissen der modernen Astronomie über Lithium noch sehr begrenzt.

Zuvor hatten Astronomen entdeckt, dass eine sehr kleine Zahl entwickelter Sterne einen ungewöhnlich hohen Lithiumgehalt aufweist, also lithiumreiche Riesen. In den letzten Jahren hat LAMOST eine Reihe von Durchbrüchen in der Erforschung lithiumreicher Riesensterne erzielt, mehr als 10.000 lithiumreiche Riesensterne entdeckt und das menschliche Verständnis für solche seltenen Himmelskörper und die Entwicklung von Lithium in Riesensternen vertieft. Die Existenz lithiumreicher Riesensterne weist darauf hin, dass es im Prozess der Sternentwicklung unbekannte Mechanismen gibt, die den Lithiumgehalt auf der Oberfläche von Sternen erheblich verändern können.

Die neun besonderen superlithiumreichen Zwerge in diesem Forschungsergebnis zeigen jedoch, dass nicht nur Riesensterne, sondern auch eine sehr kleine Anzahl nicht entwickelter Zwerge einen ungewöhnlich hohen Lithiumgehalt aufweisen. Der Lithiumgehalt dieser neun superlithiumreichen Zwerge ist mindestens dreimal höher als der der Sonne. Dies bedeutet, dass diese Sterne möglicherweise in einer Umgebung mit einem höheren Lithiumgehalt als in Sonnennähe entstanden sind oder dass ein spezieller Mechanismus den Lithiumgehalt auf der Oberfläche der Sterne erhöht haben könnte.

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Super-Lithium-reiche Zwerge, die sich noch nicht zu Riesensternen entwickelt haben

Dieser Typ superlithiumreicher Zwergsterne, der sich noch nicht zu einem Riesenstern entwickelt hat, ist äußerst selten. Da Astronomen bisher nur vier davon entdeckt haben, ist über den Mechanismus ihrer Entstehung nur sehr wenig bekannt. Über den Entstehungsmechanismus solcher superlithiumreichen Zwerge, die sich noch nicht zu Riesensternen entwickelt haben, gab es schon immer große Kontroversen. Astronomen gehen davon aus, dass die Bildung superlithiumreicher Zwerge unter anderem auf atomare Diffusion, auf die Ansammlung lithiumreicher Materie durch Sterne in ihrer Umgebung oder auf die Anwesenheit von Sternen in Doppelsternsystemen zurückzuführen ist, die mit dem Begleitstern interagieren und dadurch einen ungewöhnlich hohen Lithiumgehalt verursachen.

Dieses Mal nutzten die Forscher die Vorteile der spektralen Mehrobjekt-Untersuchung mit mittlerer Auflösung von LAMOST voll aus und entdeckten auf einmal neun neue superlithiumreiche Zwerge. Während des Forschungsprozesses berücksichtigte das Forschungsteam umfassend die Auswirkungen verschiedener Faktoren auf den Lithiumgehalt und kombinierte das LAMOST-Spektrum und die Zeitreihen-Photometriedaten des US-Weltraumteleskops TESS. Die Ergebnisse zeigten, dass sieben der superlithiumreichen Zwerge eine hohe Rotationsgeschwindigkeit aufweisen, alle über 9 Kilometer pro Sekunde, was etwa dem 20-fachen der Rotationsgeschwindigkeit der Erde entspricht. Bei drei von ihnen schwankt die Helligkeit periodisch, und einer davon befindet sich in einem Doppelsternsystem.
Schematische Darstellung des Lithiumgehalts von 9 neu entdeckten superlithiumreichen Zwergen | Bildquelle: Yan Taisheng

Diese Beobachtungsdaten zeigen, dass bei den meisten superlithiumreichen Zwergen die Ansammlung von umgebender lithiumreicher Materie der Hauptmechanismus für den abnormalen Anstieg ihres Lithiumgehalts sein könnte. Allerdings ist damit nicht ausgeschlossen, dass dies bei einigen von ihnen auch auf Wechselwirkungen zwischen Doppelsternen zurückzuführen ist.

Link zum Artikel:

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac63a5

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Hersteller: China Science Expo

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