Bewegte Atmosphären Roter Riesen

Forschungsprojekt P 14365Bewegte Atmosphären Roter RiesenJosef HRON08.05.2000 Variabilität ist ein allgegenwärtiges Phänomen unter roten Riesensternen. Bei den auffälligsten Veränderlichen, den Miras, und halbregelmäßig Veränderlichen (SRVs) mit großen Helligkeitsschwankungen, ist radiale Pulsation die Ursache der Variabilität. Durch diese Pulsation erreichen diese Objekte sehr große Ausdehnungen, und ihre Atmosphären sind komplex strukturiert. In den Spektrallinien lassen sich verschiedene Geschwindigkeitskomponenten identifizieren. In einigen Miras und SRVs wurde eine Komponente gefunden, die fast immer etwa Sterngeschwindigkeit aufweist und in ihrer Intensität nicht mit der optischen Periode variiert. Es wird behauptet, daß diese als "warm molecular envelope" bezeichnete Schicht in allen entwickelten roten Riesensternen vorhanden ist. Ein Ziel des Projektes ist es, die Natur dieser Komponente aufzuklären. Dazu werden (großteils vorhandene) Infrarotspektren erstmals quantitativ mit Modellspektren verglichen, die auch die Sternpulsationen berücksichtigten. Damit wird es möglich festzustellen, ob sich der "warm moleclar envelope" zwanglos durch solche dynamische Modelle erklären läßt oder ob er tatsächlich eine spezielle Schicht in den Atmosphären roter Riesensterne darstellt. Neben den großamplitudigen Veränderlichen gibt es auch eine große Anzahl variabler roter Riesensterne mit kleinen Amplituden und kurzen Perioden. Die Ursache dieser kleinamplitudigen Variabilität, die im Übrigen auch in Miras auftreten dürfte, sind heute weitgehend unklar. Verschiedene Erklärungsmodelle wie Pulsation, große Konvektionszellen an der Oberfläche, Sternflecken und periodische Staubbildung wurden vorgeschlagen. Bisherige Infrarotbeobachtungen geben gewisse Hinweise auf konvektive Bewegungen wie sie auch bei sonnenähnlichen Sternen nachgewiesen wurden. Im Rahmen dieses Projektes werden nun neue Beobachtungen (wiederholte simultane spektroskopische und photometrische Messungen) mit eigenen Modellrechnungen verglichen, um so die Ursachen für die beobachteten Variationen zu identifizieren. Besondere Bedeutung wird dabei jenen Effekten zukommen, die durch Pulsation und große Konvektonszellen an der Oberfläche verursacht werden. Damit können neben neuen Erkenntnissen über das Pulsationsverhalten Roter Riesen auch wichtige Informationen über die Charakteristika der Konvektion bei solchen Sternen gewonnen werden, einem grundlegenden aber bisher kaum untersuchten Problem der stellaren Astrophysik.

Rote Riesen sind ein spätes Stadium in der Entwicklung der meisten Sterne, also auch unserer Sonne. In dieser Phase sind die Außenschichten der Sterne so kühl (unter 3000 Grad Celsius), dass sich Moleküle und kosmischer Staub bilden. Zugleich sind Rote Riesen aber so ausgedehnt (ein derartiger Stern würde bis zur Jupiterbahn reichen), dass sie gegenüber globalen Schwingungen und lokalen Bewegungen in ihrer Atmosphäre instabil werden. Moleküle, Staub und die Sternschwingungen erzeugen zusammen einen Sternwind, durch den einige Erdmassen pro Jahr an Gas und Staub in den interstellaren Raum geblasen werden. Dies ist das Ausgangsmaterial für die Bildung neuer Sterne und Planeten. Im Rahmen des Projektes wurden zwei konkrete Fragen im Zusammenhang mit den Bewegungen in den Atmosphären Roter Riesen untersucht: die möglichen Ursachen für beobachtete kleine Helligkeitsschwankungen und die Eigenschaften und der Ursprung jener Atmosphärenschichten, die sich anscheinend relativ zum Stern nicht bewegen. Es konnte gezeigt werden, dass die kleinen Helligkeitsschwankungen sehr wahrscheinlich durch Sternschwingungen verursacht werden. Bewegungen im Zusammenhang mit der Mischung von Sternmaterie an der Oberfläche dürften allerdings ebenfalls eine gewisse Bedeutung haben. Weiters haben die Untersuchungen ergeben, dass die ruhenden Schichten sich zwanglos aus Sternmodellen ergeben, die die Schwingungen des Sterns mitberücksichtigen und dass diese Modelle den beobachteten vertikalen und zeitlichen Verlauf der Gasgeschwindigkeiten in der Atmosphäre recht gut erklären können. Um die Ziele des Projektes zu erreichen, wurden sowohl neue Beobachtungen angestellt und ausgewertet als auch umfangreiche Computersimulationen durchgeführt. Die Beobachtungsdaten bestanden aus Messungen der Helligkeitsschwankungen im sichtbaren Licht, die teilweise von zwei kleinen, von der Universität Wien in den USA betriebenen, automatischen Teleskopen stammen. Die Untersuchung der atmosphärischen Bewegungen erfolgte vor allem mittels Infrarot-Spektroskopie, wozu große Teleskope in den USA zum Einsatz kamen. Für die Computersimulationen wurden Programme adaptiert und entwickelt, die die Geschwindigkeit, Temperatur und Dichte des Gases, die Entstehung von Staub und Molekülen und den Transfer der Strahlung unter Berücksichtigung von Sternschwingungen berechnen.