Zwei alternative Modelle für das Innere Weißer Zwerge nebeneinander gestellt. (Links) die normale Kristallisation eines normalen Weißen Zwerges. (Rechts) Ein sich langsamer abkühlender Weißer Zwerg, bei dem die Destillation dominiert.(Bildnachweis: Robert Lea/Bédard et al)
Weiße Zwerge sind die Sterne, die zurückbleiben, wenn Sterne wie die Sonne „sterben“ und im Weltraum als abkühlende Sternenglut verglühen.
Neue Beobachtungen deuten darauf hin, dass einige dieser stellaren Leichen länger brauchen, um abzukühlen, als bisher angenommen. Das bedeutet, dass Weiße Zwerge nach ihrem „Tod“ möglicherweise Energie erzeugen können, was dem klassischen Bild von trägen, toten Sternen widerspricht. Infolgedessen könnten einige Weiße Zwerge tatsächlich Milliarden von Jahren älter sein als bisher angenommen.
Bei der Analyse von Daten der Weltraummission Gaia im Jahr 2019 entdeckten Wissenschaftler eine Population Weißer Zwerge, die seit Milliarden von Jahren nicht mehr abgekühlt zu sein scheinen. Jetzt glaubt ein Forscherteam unter der Leitung von Antoine Bédard von der University of Warwick und Simon Blouin von der University of Victoria zu wissen, welcher Mechanismus hinter dieser verblüffenden Entdeckung steckt.
Der Jungbrunnen des Sterns
Weiße Zwerge entstehen, wenn Sterne, die etwa die gleiche Masse wie die Sonne besitzen, den für die Kernfusion notwendigen Brennstoffvorrat in ihrem Kern erschöpfen. Dieser Vorrat besteht aus dem leichtesten Element des Universums: Wasserstoff. Mit dem Ende der Kernfusion, d. h. der Umwandlung von Wasserstoff in Helium, im Sternkern wird auch die Energie abgeschnitten, die den Stern oft Milliarden von Jahren vor dem Kollaps unter seiner eigenen Schwerkraft bewahrt hat.
Durch die Schwerkraft werden die äußeren Schichten des Sterns, in denen noch Kernfusion stattfindet, weggerissen. Diese Schichten „blähen“ sich während der so genannten Roten-Riesen-Phase des Sterns auf das Zehn- oder sogar Hundertfache des ursprünglichen Radius des Sterns auf. Schließlich lösen sich diese umgebenden Schichten auf und lassen den abkühlenden, erschöpften Sternkern als weißen Zwerg zurück.
Für die Sonne wird diese Umwandlung in etwa 5 Milliarden Jahren beginnen; in der Phase des roten Riesen wird unser Stern auf den Radius des Mars anschwellen. Während dieser Zeit wird die Sonne die inneren Planeten, einschließlich der Erde, verschlucken. 97 % der Sterne in der Milchstraße werden denselben grundlegenden Prozess durchlaufen und zu Weißen Zwergen werden.
Wissenschaftler gingen bisher davon aus, dass Weiße Zwerge mit verbrauchtem Kernbrennstoff das nahezu träge Endstadium kleinerer Sterne darstellen. Es wurde die Theorie aufgestellt, dass in ihrem Inneren das Plasma, das einst die brodelnde und turbulente Sternenmaterie war, erstarrt, da keine Wärme mehr produziert wird. Dies würde dazu führen, dass Weiße Zwerge im Laufe von Milliarden von Jahren von innen heraus erstarren.
Bédard und Kollegen glauben, dass bei einigen Weißen Zwergen das dichte Plasma im Inneren nicht von innen nach außen gefriert. Sie haben sozusagen einen himmlischen Jungbrunnen entdeckt, der sich unter der Hülle einiger dieser Sterne verbirgt.
Im Inneren dieser altersschwachen Weißen Zwerge entstehen beim Abkühlen des toten Sterns feste Kristalle, die auf einer dichteren Flüssigkeit schwimmen können.
Während diese feste Materie nach oben schwebt, verdrängt sie laut dem Team flüssiges Material, das sich nach unten bewegt. Der Transport des schwereren Materials in Richtung der Herzen dieser Weißen Zwerge setzt Gravitationsenergie frei. Diese Energie kann in Wärme umgewandelt werden, wodurch der Abkühlungsprozess für Milliarden von Jahren gestoppt wird.
„Diese Erklärung passt zu allen beobachteten Eigenschaften der ungewöhnlichen Population Weißer Zwerge“, so Bédard in einer Erklärung. „Dies ist das erste Mal, dass dieser Transportmechanismus bei einem beliebigen Sterntyp beobachtet wurde, was sehr aufregend ist: Es kommt nicht jeden Tag vor, dass wir ein völlig neues astrophysikalisches Phänomen entdecken!“
Das Weltraumteleskop Gaia, das 2019 eine Population von altersschwachen Weißen Zwergen entdeckt hat. (Bildnachweis: ESA)
Eine der großen Fragen, die die Entdeckung von Weißen Zwergen, die ihre Abkühlung stoppen, aufwirft, ist die Frage, wodurch sie sich von ihren „toten“ Gegenstücken unterscheiden. Das sind die Weißen Zwerge, die genau wie erwartet abkühlen.
„Der Unterschied ist wahrscheinlich auf die Zusammensetzung des Sterns zurückzuführen“, erklärt Blouin. „Einige Weiße Zwerge entstehen durch die Verschmelzung von zwei verschiedenen Sternen. Wenn diese Sterne kollidieren, um den Weißen Zwerg zu bilden, ändert sich die Zusammensetzung des Sterns in einer Weise, die die Bildung von Schwebekristallen ermöglichen kann.“
Wenn Wissenschaftler Weiße Zwerge betrachten, gehen sie derzeit davon aus, dass sie umso älter sind, je kälter sie sind. Die Abkühlungsverzögerung, die diese merkwürdigen Weißen Zwerge erfahren, könnte jedoch bedeuten, dass sie Temperaturen haben, die sie viel jünger erscheinen lassen, als sie tatsächlich sind.
Die Entdeckung dieser Weißen Zwerge, die das Alter verleugnen, und der Mechanismus, den sie als „Jungbrunnen“ nutzen, könnte also die Art und Weise, wie Astronomen Sterne im Allgemeinen datieren, neu definieren.
„Der von uns entdeckte Transportmechanismus bedeutet, dass einige Weiße Zwerge seit Milliarden von Jahren so hell leuchten wie ’normale‘ Sterne“, so Bédard. „Das erschwert die Altersbestimmung und die Verwendung von Weißen Zwergen zur Rekonstruktion der Entstehung unserer Galaxie.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 6. März in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
