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Erforschung des Ursprungs von Kohlenstoff in sterbenden sonnenähnlichen Sternen zur Analyse der Galaxien

In einer neuen Studie wurden die Massen von Gruppen weißer Zwerge in der Milchstraße gemessen, um so ihre Rolle als Schlüsselquelle für Kohlenstoff – ein für alles Leben entscheidendes Element – zu bestimmen.

Weltraum

Haben Sie sich jemals gefragt, woher der Kohlenstoff in unserem Körper stammt und ob wir alle aus Sternen bestehen? Kohlenstoff – der Hauptbestandteil organischer Verbindungen, die in allen lebenden Organismen auf der Erde vorkommen – und sein Ursprung sind in der Astrophysik ein häufig untersuchtes Thema. Um die wichtigsten Kohlenstoffquellen aufzuspüren, hat ein internationales Forschungsteam Gruppen weißer Zwerge analysiert, d. h. sehr dichte Sternreste, die sich über Milliarden Jahre allmählich abkühlen und verdunkeln. Sie fanden heraus, dass der Großteil des Kohlenstoffs in unserer Galaxie von Sternen stammt, die doppelt so groß wie die Sonne sind, große Mengen an Masse ausstoßen und sich in kleine weiße Zwergsterne verwandeln. Die Studie wurde von den EU-finanzierten Projekten WD3D (Evolution of white dwarfs with 3D model atmospheres) und STARKEY (Solving the TP-AGB STAR Conundrum: a KEY to Galaxy Evolution) unterstützt und in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht. Im Rahmen der Studie verwendeten die Forschenden Beobachtungen weißer Zwerge in offenen Sternhaufen, Gruppen von bis zu einigen Tausend Sternen, die durch gegenseitige Massenanziehung zusammengehalten wurden und sich etwa zur gleichen Zeit in der Milchstraße bildeten. Die untersuchten Daten wurden im Jahr 2018 erfasst und vom W.-M.-Keck-Observatorium auf Hawaii zur Verfügung gestellt. Die Forschenden entdeckten, dass die Massen der analysierten weißen Zwerge „deutlich größer waren als erwartet, was einen ‚Knick‘ in der Anfang-End-Massenbeziehung [IFMR] für Sterne mit Anfangsmassen in einem bestimmten Bereich verursachte“, wie es in einer Pressemitteilung der University of California, Santa Cruz (UCSC), heißt. In derselben Mitteilung erläutert die Hauptautorin der Studie Prof. Paola Marigo von der Universität Padua, dem Gastgeber des Projekts STARKEY: „Unsere Studie interpretiert diesen Knick […] als Signatur für die Kohlenstoffsynthese von Sternen mit geringer Masse in der Milchstraße.“

Von der Geburt bis zum Tod

Wie die Forschenden in dem Fachartikel erklären, „verknüpft die Anfang-End-Massenbeziehung die Geburtsmasse eines Sterns mit der Masse des kompakten Überrests, der bei seinem Absterben übrig geblieben ist“. Denn solche Sterne verbreiten in den letzten Phasen ihres Lebens ihre Asche durch Sternwinde, die mit chemischen Elementen, einschließlich Kohlenstoff, angereichert sind, in den umgebenden Raum. Laut der Pressemitteilung der UCSC „deuten die detaillierten Sternmodelle des Teams darauf hin, dass das Abziehen des kohlenstoffreichen Außenmantels langsam genug erfolgte, damit die zentralen Kerne dieser Sterne, die zukünftigen weißen Zwerge, erheblich an Masse zunehmen konnten“. Weiter heißt es: „Durch die Analyse der Beziehung zwischen Anfang und Ende der Masse um den Knick kamen die Forschenden zu dem Schluss, dass Sterne mit mehr als zwei Sonnenmassen ebenfalls zur galaktischen Anreicherung von Kohlenstoff beitrugen, Sterne mit weniger als eineinhalb Sonnenmassen dagegen nicht.“ In derselben Pressemitteilung merkt Prof. Marigo dazu an: „Jetzt wissen wir, dass der Kohlenstoff von Sternen mit einer Geburtsmasse von nicht weniger als ungefähr 1,5 Sonnenmassen stammt.“ Mitautor Pier-Emmanuel Tremblay, außerordentlicher Professor an der Universität Warwick, dem Gastgeber des Projekts WD3D, betont zudem, dass die Anfang-End-Massenbeziehung „auch die untere Massengrenze für Supernovae festlegt, gigantische Explosionen, die in großen Entfernungen beobachtet werden können und die zum Verständnis der Natur des Universums besonders wichtig sind“. Das laufende Projekt WD3D zielt darauf ab, „3D-Simulationen für Sternreste aller atmosphärischen chemischen Zusammensetzungen zu berechnen und diese Oberflächenberechnungen mit Modellen der Innenstruktur zu verbinden, bei denen das Gas in eine Flüssigkeit und dann in einen Feststoff umgewandelt wird“, wie es in einem regelmäßigen Bericht heißt. Das Projekt STARKEY, das ebenfalls zur Studie beitrug, endete im April 2019. Weitere Informationen: Projekt WD3D Projekt STARKEY

Schlüsselbegriffe

WD3D, STARKEY, Kohlenstoff, weißer Zwerg, Milchstraße, Anfang-End-Massenbeziehung

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