Stellare Konvektion - Magnetfeld - Pulsation

Eine physikalisch konsistente Beschreibung turbulenter Konvektion stellt nach wie vor ein ungelöstes Problem dar - generell, und auch in der theoretischen Astrophysik. Dieses Phänomen wird sowohl in Verbrennungskraftmaschinen beobachtet, wie auch in Supernova Explosionen, in unserer irdischen Atmosphäre, wie auch in der Sonne. Eine schlüssigen Beschreibung von Konvektion, die den gewaltigen Umfang der zeitlichen und räumlichen Dimensionen erfasst, fehlt aber noch immer. Wohl auch deswegen, weil die zugrunde liegende Physik äußerst komplex ist. In den Lecture Notes in Physics, Band 756, schreiben die Editoren zu Recht: "Although, in a sense, the dynamics of fluid flows is well understood since about 200 years, described by an innocently looking nonlinear partial differential equation, the Navier-Stokes equation, even giants of modern physics, such as Werner Heisenberg, are quoted saying that the two major unsolved problems of physics are the unification of quantum physics and gravity (on the one hand) and turbulence (on the other).". Dabei bestehen starke Bezüge zwischen der Plasma Physik in der Astrophysik und dem Alltagleben! Man bedenke nur die Wechselwirkung zwischen dem "Weltraumwetter" und dem irdischen Magnetfeld, mit all den Rückwirkungen auf Klima und menschliches Wohlbefinden, oder die potenzielle Rolle der thermonuklearen Fusion als Energiequelle der Zukunft, die ein Prozess ist, der in unserer Sonne bereits seit Jahrmilliarden erfolgreich abläuft. Darüber hinaus erlaubt moderne Astrophysik Prozesse zu studieren, die in irdischen Laboratorien kaum, oder überhaupt nicht zugänglich sind. Diese und ähnliche Argumente helfen die Frage zu beantworten, warum es überhaupt wichtig ist, die Rolle von Konvektion, Magnetfeldern und Pulsation in Sternen zu untersuchen. Weiters ist zu beachten, dass Lücken im Wissen vom Aufbau und der Entwicklung von Sternen im Allgemeinen auch unser Verständnis von der chemischen Entwicklung und den physikalischen Eigenschaften unserer Milchstrasse wesentlich beschränken. Dies hat klarerweise auch Auswirkungen auf kosmologische Modelle. Wie die ersten Sterne nach dem Urknall entstanden sind und sich entwickelt haben, wird ein wichtiger Forschungsgegenstand in den nächsten Dekaden sein. Ein substanziell verbessertes Verständnis von Konvektion, der Rolle von Magnetfeldern, Materialeigenschaften von Plasma, etc., wird dabei unverzichtbar sein. Ein wichtiges Ziel des Projektes ist es daher, die Grundlagen, die zu diesem Verständnis führen sollen, bestmöglich bereit zu stellen.

Das Projektziel waren neue Beobachtungsevidenzen für das Testen von Konvektionsmodellen, stellarer Magnetfelder, Rotation und chemischer Zusammensetzung von Sternen. Dabei standen im Blickfeld pulsierende Sterne im Zentrum des Hertzsprung-Russell Diagramms (HRD), weil sich aus deren Pulsationsfrequenzspektren mit asteroseismischen Methoden Aussagen über die Sternstruktur machen lassen. Bei der Erde funktioniert das analog über Erdbeben.Wir haben Sterne in dem Bereich von Temperatur und Leuchtkraft analysiert, in dem die sogenannten ? Scuti und ? Doradus pulsationsveränderlichen Sterne anzutreffen sind, und dabei speziell die Instabilitätsgrenzen in Abhängigkeit von der Sternchemie untersucht. Dazu gab es zwar auf Modellen basierende Vorhersagen, diese wurden aber bis zum vorliegenden Projekt noch nicht durch hinreichend statistisch signifikante Beobachtungen getestet. Im Rahmen unserer Arbeiten stellte sich weiters mit zunehmender Stern-Leuchtkraft ein deutliches Abweichen der beobachteten von der theoretischen kühlen Grenze des Instabilitätsstreifens heraus. Zum Verarbeiten und Interpretieren der Spektren und Lichtkurven von mehr als 6000 Sternen mussten spezielle und effiziente Arbeitsbehelfe entwickelt werden, welche zusammen mit den oben beschriebenen ersten und zum Teil überraschenden Ergebnissen in zwei Dissertationen dargestellt sind.Parallel zu den beschriebenen statistischen Untersuchungen wurden auch repräsentative Einzelsterne im Detail bearbeitet und in Kooperation mit externen Mitarbeitern in über 60 Publikationen in referierten Zeitschriften dargestellt. Diese Arbeiten betreffen Sterne auch außerhalb des Instabilitätsstreifens, sowie auch Wechselwirkungen eines Magnetfeldes mit der Atmosphäre und Struktur von Sternen. Hervorzuheben wäre der erste Nachweis von co-rotierenden hellen Flecken bei einem O-Stern (sehr heiß und massereich), der erste Nachweis eines Magnetfeldes bei zwei massereichen Sternen, die Entdeckung des chemisch pekuliaren Sternes mit der längsten Pulsationsperiode, und von zwei Babysternen die vergleichbar pulsieren, wie die oben genannten ? Doradus Sterne, wobei letztere aber wesentlich älter sind und eine viel weiter entwickelte Struktur aufweisen.Abschließend sei erwähnt, dass die entwickelten Analysemethoden auch für Sterne sehr interessant sind, die von Planeten umkreist werden. Die Entdeckung eines Planeten bei einem hellen Stern lässt vielfältige Analysemethoden zu, die sonst nicht möglich sind. Da das Team in das Nanosatellitenprojekt BRITE-Constellation involviert ist, wurde auch für diese Satelliten eine Abschätzung der Entdeckungswahrscheinlichkeit von hellen Sternen mit Planeten im Rahmen einer Masterarbeit vorgenommen.