Sterne sind alles andere als stumm. Sie schwingen wie riesige Musikinstrumente und erzeugen so etwas wie ihre ganz eigene Melodie. Mit den passenden Instrumenten lässt sich diese in hörbare Töne umwandeln.
Ein Forschungsteam hat bei der Messung von Signalen aus dem All eine faszinierende Entdeckung gemacht: Durch das "Hören" der Schwingungen eines nahen Sterns wurden Strukturen aufgedeckt, die bislang verborgen lagen. Sie stellen das Verständnis der Wissenschaft davon, wie Sterne aufgebaut sind, infrage.
Möglich machte das der Keck-Planetensucher (Keck Planet Finder, KPF), ein hochmodernes Instrument am W. M. Keck-Observatorium auf Hawaii.
Die Melodien der Sterne
Jedes dieser Signale aus dem All, das den Schwingungen eines Sterns entspringt, sei "wie ein einzigartiges Lied", betont auch Yaguang Li, Forscherin an der University of Hawaii at Mānoa. "Indem wir diesen Schwingungen zuhören, können wir genau bestimmen, wie massiv ein Stern ist, wie groß er ist und wie alt er ist."
Ein internationales Team von Astronomen hat erstmals sonnenähnliche seismische Schwingungen bei einem anderen Stern gemessen. Wie Glocken schwingen Sterne, und auch die Sonne, in verschiedenen Mustern und Frequenzen hin und her.
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Jetzt jedoch hat ein internationales Team von Astronomen der Europäischen Südsternwarte (ESO), der Universität von Sydney und des Astrophysikalischen Instituts Potsdam (AIP), erstmals seismische Schwingungen bei einem Stern gemessen, wie man sie auch von der Sonne kennt.
Der Stern, der mit dem HARPS-Spektrographen am 3,6-Meter-Teleskop der ESO in La Silla in Chile beobachtet wurde, ist eine kühlere Sonne mit Flecken im Sternbild Eridanus. Die Messungen ergaben eine Geschwindigkeitsamplitude von nur 15 Zentimeter pro Sekunde für die Gesamtheit dieser Schwingungen, deren Periode rund 50 Minuten beträgt.
Zum Vergleich: Die Sonne rotiert in nur 27 Tagen einmal um ihre Achse und oszilliert hauptsächlich mit einer Periode um die fünf Minuten. Die kleinste Geschwindigkeitsamplitude, die auf der Sonnenoberfläche der Zeit gemessen werden kann beträgt etwa einen Millimeter pro Sekunde.
Entdeckung eines 10 Milliarden Jahre alten Sterns
HD 219134, ein kühler, orangefarbener K-Typ-Zwergstern in 21 Lichtjahren Entfernung, hat nun erstmals am Boden seinen Klang preisgegeben. Seine Vibrationen waren bisher zu schwach, um mit Weltraumteleskopen erkannt zu werden.
Das Forschungsteam um Li sammelte über vier Nächte hinweg mehr als 2000 hochpräzise Messungen der Bewegung der Sternoberfläche. Diese Signale aus dem All, auch Oszillationen genannt, ermöglichten es, Alter, Größe und inneren Aufbau des Sterns zu bestimmen. Die Überraschung: HD 219134 ist etwa 10,2 Milliarden Jahre alt und gehört damit zu den ältesten bekannten Sternen, deren Alter so genau mit dieser Methode bestimmt wurde.
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Zum Vergleich: Unter den wenigen Sternen, deren Alter ebenfalls präzise per Asteroseismologie - die Wissenschaft von den Sternschwingungen - bestimmt wurde, stechen nur Kepler-444 mit etwa 11,0 Milliarden Jahren und Kepler-10 mit rund 10,6 Milliarden Jahren hervor.
HD 219134 reiht sich damit in eine winzige Elite von nur drei bekannten Objekten ein, die überhaupt ein zweistelliges Gigajahresalter mit dieser Genauigkeit erreichen - und liegt dabei nur knapp hinter dem aktuellen Rekordhalter Kepler-444.
"Der schnelle Auslesemodus des KPF eignet sich perfekt für die Entdeckung von Oszillationen in kühlen Sternen", so Li weiter, "und es ist der einzige Spektrograph auf dem Mauna Kea, der derzeit in der Lage ist, diese Art von Entdeckung zu machen."
Neue Anhaltspunkte zu Planeten und Sternen
Besonders spannend war der Vergleich der neuen Messungen mit früheren Daten, den das Team als Teil seiner Studie im Astrophysical Journal veröffentlichte. Die Asteroseismologie ergab einen Radius, der etwa vier Prozent kleiner ist als jener, den Messungen mit Interferometrie - also mit mehreren zusammengeschalteten Teleskopen - zuvor ergeben hatten. Diese Abweichung liegt deutlich außerhalb des erwarteten Bereichs und gibt den Forschern Rätsel auf. Weder bislang unerkannte Atmosphäreneffekte noch Magnetfelder oder andere bekannte Einflüsse erklären den Unterschied bislang zufriedenstellend.
Die neu ausgewerteten Signale aus dem All haben auch Auswirkungen auf das Wissen über die Planeten, die HD 219134 umkreisen. Der Stern beherbergt mindestens fünf Planeten, darunter zwei sogenannte Super-Erden - also Gesteinsplaneten, die etwas größer sind als die Erde. Dank der genaueren Messungen ist nun klarer, dass diese Welten wohl eine erdähnliche, feste Oberfläche haben.
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HD 219134 liefert zudem einen wichtigen Bezugspunkt für die sogenannte Gyrochronologie - eine Methode, mit der Forscher das Alter von Sternen aus ihrer Rotationsgeschwindigkeit ableiten können. Der Stern rotiert langsam und zeigt, wie Sterne im Laufe von Milliarden Jahren immer träger werden. Damit trägt er dazu bei, diese Altersschätzungen insbesondere für kühle Sterne deutlich zu verbessern.
Die Form der Sterne
Aufgrund ihrer großen Entfernung erscheinen Sterne zumeist als punktförmige Lichtquellen. Ihre Form zu bestimmen, ist daher eine Herausforderung - könnte aber wichtige Aufschlüsse über ihren Aufbau und die Vorgänge in ihrem Inneren liefern.
Wissenschaftler haben nun erstmals die Schwingungen eines Sterns genutzt, um dessen Form präzise zu vermessen. Durch diese sogenannte Asteroseismologie stellte sich der Stern Kepler 11145123 als das bislang rundeste, natürlich vorkommende Objekt im Universum heraus.
Laurent Gizon: Da der Stern rotiert, ist er an den Polen etwas abgeflacht, das liegt an der Zentrifugalkraft. Das gilt auch für jedes andere Objekt, das rotiert: Die Erde ist beispielsweise um etwa 21 Kilometer abgeflacht, wenn man den Radius am Äquator mit dem Radius an den Polen vergleicht. Das gilt auch für die Sonne, die sich einmal alle 27 Tage um sich selbst dreht. Ihr Radius am Äquator ist rund zehn Kilometer größer als ihr Radius an den Polen.
Die traditionelle Methode dafür ist optische Interferometrie im infraroten oder optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Dabei kombiniert man das Licht von verschiedenen Teleskopen und kann über die Unterschiede in seinem Verlauf auf die Form des Sterns schließen. Aber das ist eine sehr aufwendige Methode, die nicht sehr präzise ist.
Bei großen Sternen, die sehr nahe sind, können wir ihre Form direkt räumlich auflösen. Das ist zwar nur für wenige Sterne möglich, aber so konnte man bereits in der Vergangenheit die Deformation von sehr schnell rotierenden Sternen bestimmen.
Wir haben Methoden der Asteroseismologie angewendet. Dafür muss man zunächst wissen, dass Sterne schwingen, sie pulsieren. Diese Schwingungen werden von der Konvektion in den oberflächennahen Schichten des Sterns erzeugt - bei den Wellen handelt es sich um Schallwellen, oder Druckwellen. Die Helligkeit des Sterns hängt von diesen Wellen ab, sie lassen den Stern pulsieren und äußern sich als verschiedene sinusförmige Schwankungen in seiner Helligkeit. Es kommt dabei zu einer Überlagerung von unterschiedlichen sinusförmigen Variationen in der Helligkeit des Sterns.
Ein Stern wird von zahlreichen solcher Schwingungen durchlaufen, von denen jede von der spezifischen Region innerhalb des Sterns abhängt, in der sie erzeugt wird. Deshalb kann man die unterschiedlichen Schwingungsmoden als eine Art Sensor für unterschiedliche Regionen im Sterninneren betrachten.
In diesem Fall basierte unsere Idee darauf, dass unterschiedliche Schwingungen Informationen über unterschiedliche Breitengrade des Sterns liefern können. Der Vergleich der unterschiedlichen Schwingungen aus unterschiedlichen Breitengraden liefert dann Aufschlüsse darüber, ob der Stern kugelförmig ist - oder verlängert oder abgeflacht.
Wir haben die Schwingungen eines Sterns namens Kepler 11145123 untersucht, der etwa 5000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist und dessen Radius 2,24 Sonnenradien beträgt. Für diesen Stern gab es einen charakteristischen Unterschied in den Schwingungen, der sehr signifikant war und darauf hindeutet, dass er abgeflacht ist - aber nicht so stark, wie man das eigentlich von einem solchen Stern erwartet, der sich einmal alle hundert Tage um sich selbst dreht. Der Unterschied in den Radien an seinem Äquator und den Polen beträgt lediglich drei Kilometer. Das ist eine unglaublich genaue Messung!
Es muss andere Kräfte geben, die den Stern über seine Eigenrotation hinaus verformen. Wir haben alle Faktoren in Betracht gezogen, die uns eingefallen sind. Letztendlich denken wir, dass das sehr schwache Magnetfeld dieses Sterns seine Form beeinflusst, denn die Wellen spüren die Magnetfelder in der Sternatmosphäre. Dafür spricht auch, dass genau das mit der Sonne passiert: Die Schwingungen der Sonne verändern sich mit der Zeit, weil es Sonnenflecken gibt. Wenn die Sonne magnetisch sehr ruhig ist, ist sie genau so abgeflacht, wie man es aufgrund der Rotation erwarten würde. Wird die Sonne aktiver, gibt es mehr Sonnenflecken, die die Form der Sonne verändern.
Ja, wir können sie bei ähnlichen Sternen anwenden. Die Daten für diese Untersuchung haben wir aus den Messungen des Kepler-Weltraumteleskops gewonnen, dessen Hauptziel nicht Asteroseismologie war, sondern das Aufspüren von Exoplaneten. Die Asteroseismologie war hier quasi nur eine zusätzliche Mission, die man quasi kostenlos dazubekommen hat. Aber in Zukunft werden Missionen zum Aufspüren von Exoplaneten dezidiert auch asteroseismologische Forschungsziele beinhalten, beispielsweise die PLATO-Mission der Europäischen Weltraumagentur ESA.
Schwarze Löcher und Sternschwingungen
Princeton (USA) - Bereits beim Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren entstandene kleine Schwarze Löcher können Sterne in Schwingungen versetzen und so ihre Existenz verraten. Das zeigen zwei Astronomen aus den USA nun mithilfe von Computersimulationen. Sie berechneten erstmals, welche Auswirkungen die Passage eines solchen "primordialen" Schwarzen Lochs durch einen Stern hat.
"Wenn wir nur unsere Sonne anschauen, sind die Chancen, ein primordiales Schwarzes Loch zu erwischen, sehr gering", erläutert Shravan Hanasoge von der Princeton University, "aber die Astronomen überwachen heute viele tausend Sterne." Ein Beispiel ist das Satelliten-Observatorium Kepler, das Helligkeitsschwankungen bei 150.000 Sternen überwacht. Ziel der Kepler-Mission ist zwar die Suche nach Planeten bei den Sternen.
Unmittelbar nach dem Urknall könnten durch Schwankungen in der Materiedichte Schwarze Löcher mit vergleichsweise kleinen Massen - viel kleiner als Sterne - entstanden sein. Diese primordialen Schwarzen Löcher könnten auch ein Bestandteil der mysteriösen Dunklen Materie sein, die den größten Anteil der Masse des Universums ausmacht.
Kesden und Hanasoge haben nun simuliert, was passiert, wenn ein primordiales Schwarzes Loch durch einen Stern hindurchfliegt. Die Berechnungen der Forscher zeigen, dass das Schwarze Loch den Stern nahezu ungehindert passiert. Die Anziehungskraft des Schwarzen Lochs erzeugt aber eine Welle, die sich durch den Stern ausbreitet und ihn in Schwingungen versetzt. Diese Oszillationen sind dann von außen als schwache periodische Helligkeitsänderungen sichtbar.