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Massereiche Doppelsterne Der Sternenstaub in uns – Kohlenstoffquelle Weltall

Redakteur: Christian Lüttmann

Woher wir kommen, ist in mancherlei Hinsicht eine philosophische Frage. Woher die Bausteine stammen, aus denen wir zusammengesetzt sind, darauf lassen sich mögliche Antworten geben. So gelten Sterne als eine wahrscheinliche Quelle des Kohlenstoffs auf der Erde, der auch in Lebewesen enthalten ist. Wieso gerade Doppelsternen hier eine besondere Bedeutung zukommt, zeigen Simulationen vom Max-Planck-Institut für Astrophysik.

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Massereiche Sterne kommen oft in engen Doppelsternsystemen vor, bei denen ein Stern seinem Begleitstern Masse entzieht. Neue Untersuchungen von MPA-Forschern haben nun gezeigt, dass diese Doppelsternsysteme etwa doppelt so viel Kohlenstoff produzieren wie einzelne, massereiche Sterne.
Massereiche Sterne kommen oft in engen Doppelsternsystemen vor, bei denen ein Stern seinem Begleitstern Masse entzieht. Neue Untersuchungen von MPA-Forschern haben nun gezeigt, dass diese Doppelsternsysteme etwa doppelt so viel Kohlenstoff produzieren wie einzelne, massereiche Sterne.
(Bild: ESO/M. Kornmesser/S.E. de Mink)

Garching – Knapp ein Drittel von dem, was unsere Waage im Badezimmer anzeigt, ist Kohlenstoff. Das Element ist ein grundlegender Baustein des Lebens, doch sein kosmischer Ursprung ist noch ungeklärt. Klar ist: Massereiche Sterne spielen eine wichtige Rolle bei der Synthese aller schweren Elemente, von Kohlenstoff und Sauerstoff bis hin zu Eisen. Doch obwohl die meisten massereichen Sterne in Mehrfachsternsystemen geboren werden, haben die bisherigen Modelle zur Entstehung schwererer Kerne (also der Nukleosynthese) fast ausschließlich Einzelsterne betrachtet. Ein internationales Team von Astrophysikern unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA) hat nun den „Kohlenstoff-Fußabdruck“ von massereichen Sternen berechnet, die ihre Hülle in einem Doppelsternsystem abgeben.

„Im Vergleich zu einem einzelnen Stern produziert ein massereicher Stern in einem Doppelsternsystem im Durchschnitt doppelt so viel Kohlenstoff“, sagt Robert Farmer, der Erstautor der Studie. „Bis vor Kurzem haben die meisten Astrophysiker nicht berücksichtigt, dass massereiche Sterne oft Teil eines Doppelsternsystems sind. Wir haben zum ersten Mal untersucht, wie die Anwesenheit eines Begleiters die Menge der von ihnen erzeugten Elemente verändert.“

Elementschmieden im All

Die meisten Sterne, einschließlich unseres eigenen Sterns, der Sonne, werden durch die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium angetrieben. In ihren „goldenen Jahren“, nachdem sie etwa 90 % ihres Lebens hinter sich haben, beginnen sie mit der Umwandlung von Helium in Kohlenstoff und Sauerstoff. Sterne wie die Sonne hören hier auf, aber massereiche Sterne können weiterhin Kohlenstoff zu schwereren Elementen bis hin zu Eisen fusionieren.

Die Herausforderung besteht nicht in der Herstellung von Kohlenstoff, sondern darin, ihn aus dem Stern herauszuholen, bevor er zerstört wird. Bei Einzelsternen ist dies sehr schwierig. Sterne in Doppelsternsystemen können aber miteinander wechselwirken und Masse auf einen Begleiter übertragen (s. Abbildung ganz oben). Der Stern, der Teile seiner Masse verliert, entwickelt eine kohlenstoffreiche Schicht nahe der Oberfläche, die bei der Explosion des Sterns als Supernova ausgestoßen wird.

Schematische Darstellung der Kernfusionskette in massereichen Sternen: Nach dem Wasserstoffbrennen fusioniert Helium zu Kohlenstoff, der dann zu Sauerstoff und noch schwereren Elementen weiterverarbeitet werden kann.
Schematische Darstellung der Kernfusionskette in massereichen Sternen: Nach dem Wasserstoffbrennen fusioniert Helium zu Kohlenstoff, der dann zu Sauerstoff und noch schwereren Elementen weiterverarbeitet werden kann.
(Bild: MPA)

„Es ist vielleicht nicht fair, Doppelsterne für die Treibhausgase verantwortlich zu machen, die die globale Erwärmung verursachen, aber ist es nicht cool, sich in den Arm zu kneifen und festzustellen, dass der Kohlenstoff in Ihrer Haut wahrscheinlich in einem Doppelstern entstanden ist?“, fragt Selma de Mink, Mitautorin der Studie und Direktorin der neuen Abteilung für stellare Astrophysik am MPA.

Auf den Spuren der Elemente

Astronomen untersuchen auch andere Arten von Sternen, die Kohlenstoff produzieren können, wie rote Riesen oder Explosionen von Weißen Zwergen. Bisher scheint es jedoch so zu sein, dass massereiche Sterne, und nach dieser neuen Studie insbesondere Doppelsterne, den größten Teil des kosmischen Kohlenstoffs produzieren.

Die Gesamtausbeute an Kohlenstoff in massereichen Sternen in Doppelsternsystemen (rot) ist etwa doppelt so hoch wie bei einzelnen massereichen Sternen (blau), wie die neue Studie herausgefunden hat.
Die Gesamtausbeute an Kohlenstoff in massereichen Sternen in Doppelsternsystemen (rot) ist etwa doppelt so hoch wie bei einzelnen massereichen Sternen (blau), wie die neue Studie herausgefunden hat.
(Bild: MPA)

„Unsere Ergebnisse sind ein kleiner, aber wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Rolle massereicher Sterne bei der Erzeugung der Elemente, aus denen wir selbst bestehen“, sagt Erstautor Farmer. „Bislang haben wir nur eine Art von Wechselwirkung in Doppelsternsystemen untersucht. Es gibt viele andere mögliche Lebenswege für einen Stern, der in der Nähe eines Begleiters geboren wird – und viele andere Elemente, die es zu erforschen gilt.“ Die in dieser Studie vorgestellten Ergebnisse sind also nur der Anfang einer systematischen Untersuchung der Auswirkungen, die ein naher Begleiter auf die chemische Ausbeute massereicher Sterne hat.

Originalpublikation: R. Farmer, E. Laplace, S.E. de Mink, S. Justham: The cosmic carbon footprint of massive stars stripped in binary systems, Submitted to ApJ

(ID:47727858)