Der Weg der jungen Sterne

In unserem Universum sind in der Vergangenheit unzählige Male Sterne entstanden und werden immer noch geboren. Die ersten Phasen im Leben von Sternen bestimmen ihr gesamtes zukünftiges Schicksal. So hängt beispielsweise die Erzeugung der chemischen Elemente, die es uns ermöglichen die Geschichte der Entwicklungunserer Milchstraßezu verfolgen, direkt vonden Anfangsbedingungen der Sterne (wie Masse und Metallizität) ab. Ebenso ist der Drehimpuls, den die Sterne bei ihrer Geburt erhalten, wesentlich für ihr gesamtes Leben bis hin zu ihrem Tod. In den zirkumstellaren Staubscheiben der neu geborenen Sterne können Planetensysteme, wie auch unser eigenes Sonnensystem, entstehen. Damit zeigt sich deutlich wie stark der Ursprung von Planeten mit der frühen Entwicklung ihrer Zentralgestirne zusammenhängt. Diese Beispiele zeigen, wie unerlässlich es ist, die physikalischen Prozesse in den frühen Phasen im Leben von Sternen zu verstehen. Obwohl wir ein generelles Konzept haben, wie Sterne entstehen und sich entwickeln, ist doch unser Wissen über frühe Sternentwicklung begrenzt. Zu den vielen ungelösten Fragen gehören beispielsweise die Bestimmung des Alters, die Geschwindigkeit der Entwicklung, die massen- und zeitabhängige Entwicklung des Drehimpulses sowie der chemischen Zusammensetzung junger Sterne. Junge Sterne mit Massen zwischen etwa einer und sechs Sonnenmassen, die ihre Energie hauptsächlich aus gravitationeller Kontraktion beziehen, haben ähnliche Atmosphäreneigenschaften wie ältere, entwickeltere Sterne, die schon im Kern Wasserstoff verbrennen. Es ist daher nicht möglich den Entwicklungszustand eines beliebigen Sterns ausschließlich aufgrund seiner atmosphärischen Eigenschaften (wie effektiver Temperatur, Schwerebeschleunigung oder Leuchtkraft) zu bestimmen. Der Hauptunterschied zwischen Sternen unterschiedlicher Entwicklungszustände ist ihre innere Struktur. Asteroseismologie ist die einzige Methode, die es uns erlaubt das Innere pulsierender Sterne durch die Analyse ihrer Sternschwingungen zu untersuchen. Das funktioniert ähnlich wie auf der Erde, wo wir aufgrund des Studiums von Erdbeben wissen, wie das Innere unserer Erde aufgebaut ist. Wir können daher Asteroseismologie als unabhängige Methode verwenden, den Entwicklungszustand eines beliebigen Sterns zu bestimmen. Asteroseismologie erlaubt es uns auch die Relevanz bestimmter physikalischer Prozesse für die Sternentwicklung zu untersuchen. So konnte ich in meiner neuesten Studie (Zwintz et al. 2014) zeigen, dass es einen direkten Zusammenhang zwischen den Pulsationseigenschaften junger Sterne und ihrem relativen Entwicklungszustand gibt. In dem Elise Richter Projekt werde ich eine erste homogene, asteroseismische Beschreibung pulsierender junger Sterne mit Hilfe von Beobachtungen und Modellrechnungen durchführen mit dem Ziel empirische Relationen zu finden, die es uns ermöglichen das Alter junger Sterne direkt zu bestimmen. Dazu werde ich auch mithilfe von spektroskopischen Messungen die Entwicklung der chemischen Zusammensetzung und des Drehimpulses ausgewählter Sterne untersuchen. Mit diesen Arbeiten werde ich zur Beantwortung einiger offener Fragen in früher Sternentwicklung beitragen.

Die frühesten Phasen im Leben von Sternen ihre Kindheit und Jugend gehören zu den am wenigsten verstandenen, da junge Sterne noch tief in dem Staub und Gas eingebettet liegen, aus dem sie geboren wurden. Sie bleiben daher im optischen Licht noch lange verborgen bis wir sie eingehend untersuchen können. Zu den offenen Fragen der frühen Sternentwicklung gehören zum Beispiel die Geschwindigkeit, mit der sich junge Sterne entwickeln, wie sie im Inneren aufgebaut sind, und wann und wie Planeten um junge Sterne gebildet werden. Gleichzeitig sind wir auch auf der Suche nach der jungen Sonne unsere Sonne wie sie im Alter von nur wenigen Millionen Jahren war. In dem nun abgeschlossenen Elise Richter Projekt untersuchte ich eben diese oben genannten Themen mithilfe von Asteroseismologie der Lehre von Sternschwingungen. Ähnlich wie wir die Erdbeben dazu verwenden, den inneren Aufbau unserer Erde zu untersuchen, kann uns die Analyse von Sternbeben Informationen über die innere Struktur von Sternen bringen. Obwohl wir viele ältere, erwachsene Sterne kennen, die unterschiedliche Arten von Pulsationen zeigen, ist Asteroseismologie junger Sterne ein neues Forschungsgebiet, das sich erst in den letzten knapp 20 Jahren entwickelt hat. In meinem Projekt Der Weg der jungen Sterne konnte ich das erste Mal die Geschwindigkeit, mit der sich junge Sterne entwickeln, direkt anhand der Änderungen der Pulsationsperioden messen und damit testen, ob die Beobachtungen und die theoretischen Modelle zusammenpassen. Für drei Sterne stimmten die gemessenen Periodenänderungen von 0.001 bis 0.005 Sekunden pro Jahr mit den Werten aus den Modellen überein, während wir für den vierten Stern eine etwa doppelt so schnelle Änderung der Pulsationsperiode fanden, als theoretisch vorhergesagt wurde. Dies wirft nun die Frage auf ob und warum sich dieser Stern scheinbar schneller entwickelt und welche Prozesse dafür verantwortlich sind. Ein weiteres Highlight meiner Forschungsarbeit drehte sich um den jungen Stern Pictoris, der in seiner ihn umgebenden, riesigen Gasscheibe, einen Jupiter-ähnlichen Planeten, Pictoris b, besitzt. Der Stern selbst ist mit etwa 8200K Oberflächentemperatur deutlich heißer als unsere Sonne und zeigt Pulsationen mit Perioden im Bereich von 20 bis 45 Minuten. Der Planet braucht fast 18 Jahre für eine Umrundung seines Zentralgestirns und kam im Jahr 2017 seinem Stern am nächsten. Unter Verwendung neuester Beobachtungsdaten von der Satellitenmission BRITE-Constellation, konnte ich den inneren Aufbau von Pictoris über seine Pulsationen untersuchen. Um nach weiteren Planeten, Kometen und Monden um Pictoris zu suchen, ist eine exakte Analyse und das Herausrechnen der Pulsationen wesentlich: auch wenn die Pulsationen nur Amplituden von maximal Tausendsteln der Sternhelligkeit haben, ist das Signal von Planeten, Kometen und Monden noch niedriger und liegt im Bereich von wenigen Millionstel der Sternhelligkeit und darunter.