Sternenpassage im Weltraum beobachtet

Wissenschaftler haben mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) und dem Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) einen seltenen Nachweis eines wahrscheinlichen stellaren Vorbeiflugs im Sternsystem Z Canis Majoris (Z CMa) erbracht. Ein fremdes – nicht an das System gebundenes – Objekt kam in die Nähe des binären Protosterns und interagierte mit seiner Umgebung. Das führte zur Bildung chaotischer, ausgedehnter Staub- und Gasströme in der ihn umgebenden Scheibe.

Bisher war der Vorbeiflug eines nicht an eine Sonne gebundenen Sterns an einem Sonnensystem weitgehend ein theoretisches Szenario. Solche Vorbeiflüge von Eindringlingen traten im Rahmen von Computersimulationen der Sternentstehung mit einiger Regelmäßigkeit auf. Aber bisher gab es nur wenige überzeugende direkte Beobachtungen.

Das Sternensystem Z Canis Majoris

Das 3.750 Lichtjahre entfernte System Z Canis Majoris (Z CMa) ist ein noch recht junges B-Typ-Sternensystem. Es handelt sich um ein komplexes Doppelsternsystem, das nur 300.000 Jahre bis 1 Million Jahre alt ist und dessen zwei Hauptkomponenten von der Erde aus gesehen schätzungsweise 100 Astronomische Einheiten (AE) oder 0,1" voneinander entfernt sind.  Er hat eine mittlere scheinbare visuelle Helligkeit von etwa 9,85, wurde jedoch bei unregelmäßigen Ausbrüchen in den Jahren 1987, 2000, 2004 und 2008 um 1-2 Größenklassen heller.

Bei der südöstlichen Komponente handelt es sich um einen FU-Orionis-Stern (eine Art Vor-Hauptreihen-Stern, der sich in einer Phase sehr hoher Masseakkretion befindet. Das führt zu einer Akkretionsscheibe, die das optische Spektrum dominiert. Der Stern ist 1300-mal so hell wie unsere Sonne. Der Stern besitzt die dreifache Masse und den 13-fachen Durchmesser der Sonne und hat eine Oberflächentemperatur von 10.000 K.

Bei der nordwestlichen Komponente handelt es sich um einen Herbig Ae/Be-Stern, der Berechnungen zufolge die 12-fache Masse der Sonne und den 1690-fachen Durchmesser hat und mit der 2400-fachen Leuchtkraft leuchtet, obwohl seine Eigenschaften mit einiger Unsicherheit behaftet sind. Er ist von einem unregelmäßigen, annähernd kugelförmigen Staubkokon mit einem Innendurchmesser von 20 und einem Außendurchmesser von 50 AE umhüllt.

Wenn Sterne heranwachsen, interagieren sie oft mit ihren Geschwistersternen – Sternen, die in ihrer Nähe im Weltraum heranwachsen -, aber es wurde selten beobachtet, dass sie mit äußeren oder fremden Objekten interagieren. Wissenschaftler haben nun Beobachtungen eines fremden Objekts gemacht, das die protoplanetare Scheibe um Z Canis Majoris, einen Stern im Sternbild Canis Major, stört, was große Auswirkungen auf die Entwicklung von Babyplaneten haben könnte. Die Störungen, einschließlich langer Gasströme, wurden mit dem Subaru Telescope im H-Band, dem Karl G. Jansky Very Large Array im Ka-Band und mit dem Band-6-Empfänger des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array im Detail beobachtet.
Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF), NAOJ

Der Kokon weist ein Loch auf, durch das Licht in einem Winkel von 5 bis 10 Grad seines Umfangs scheint. Beide Sterne sind von einer großen Hülle aus einfallendem Material umgeben, das von der ursprünglichen Wolke, aus der das System entstand, übrig geblieben ist. Beide Sterne stoßen Materialstrahlen aus, wobei der Strahl des Herbig Ae/Be-Sterns viel größer ist – bis zu 11,7 Lichtjahre (3,6 Parsec) lang.

Der Besucher eines Sonnensystems

Genau dieses Sternsystem haben Wissenschaftler mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) und dem Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) beobachtet. Dabei machten sie eine interessante Entdeckung: Es muss in diesem System zu einem Vorbeiflug eines fremden Sterns, der nicht zum System gehört, gekommen sein. Der oben beschriebene Ausläufer an Gas bzw. Staub gab den Astronomen Rätsel auf.

Passage eines Stern am Doppelsternsystem Z Canis Majoris, Quelle: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Durch Analyse der Morphologie und Struktur der Ströme in der Staubscheibe um das Sternsystems von Z CMa konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass die Störungen durch einen nahen Vorbeiflug eines Sterns entstanden sind. "Mit diesen neuen Forschungsergebnissen wissen wir nun, dass Vorbeiflüge in der Natur vorkommen und dass sie große Auswirkungen auf die gasförmigen zirkumstellaren Scheiben haben, die die Geburtsstätten der Planeten sind, die die Baby-Sterne umgeben", sagt Nicolás Cuello, Astrophysiker und Marie-Curie-Stipendiat an der Universität Grenoble Alpes in Frankreich. "Flyby-Ereignisse können die zirkumstellaren Scheiben um teilnehmende Sterne dramatisch stören, wie wir es bei der Entstehung von langen Streamern um Z CMa gesehen haben".

"Beobachtungsnachweise für Vorbeiflüge sind schwer zu erbringen, da diese Ereignisse schnell ablaufen und es schwierig ist, sie in Aktion zu erfassen. Was wir mit unseren ALMA-Band-6- und VLA-Beobachtungen gemacht haben, ist vergleichbar mit der Aufnahme eines Blitzes, der in einen Baum einschlägt", sagt Ruobing Dong, Astronom an der University of Victoria in Kanada und Hauptautor der neuen Studie. "Diese Entdeckung zeigt, dass enge Begegnungen zwischen jungen Sternen, die Scheiben beherbergen, in der Realität stattfinden und nicht nur theoretische Situationen sind, die in Computersimulationen gesehen werden. Frühere Beobachtungsstudien hatten zwar Vorbeiflüge beobachtet, konnten aber nicht die umfassenden Beweise sammeln, die wir für das Ereignis bei Z CMa erhalten haben."

Störungen wie die bei Z CMa werden in der Regel nicht durch Eindringlinge verursacht, sondern durch Geschwistersterne, die sich im Weltraum einfangen und zusammenwachsen. Hau-Yu Baobab Liu, Astronom am Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taiwan und Mitautor der Studie, erklärt: "Sterne entstehen meist nicht isoliert. Die Zwillinge oder sogar Drillinge oder Vierlinge, die zusammen geboren werden, können durch die Schwerkraft angezogen werden und sich daher einander nähern. In diesen Momenten kann ein Teil des Materials der protoplanetaren Scheiben der Sterne abgetragen werden, um ausgedehnte Gasströme zu bilden, die den Astronomen Aufschluss über die Geschichte vergangener Sternbegegnungen geben."

Die Pressemitteilung (Englisch) zu dieser Forschungsarbeit aus dem Januar 2022 enthält weitere Details. Einen deutschsprachigen Beitrag zum Thema habe ich auf scienexx.de gefunden.