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Eine Illustration zeigt einen Weißen Zwerg, der einen Hauptreihenstern in einem Doppelsternsystem umkreist (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Neue Forschungen haben Zweifel an der Natur eines fernen „toten Sterns“ aufgeworfen, der in einem Doppelsternsystem mit einem aktiven stellaren Begleiter existiert. Die Wissenschaftler glauben, dass es sich bei dieser Sternenleiche in Wirklichkeit um einen Weißen Zwerg von der Größe eines Monsters handelt.

Die Entdeckung wirft die Frage auf, wie der „lebende“ Stern des Doppelsternsystems es geschafft hat, in unmittelbarer Nähe einer solchen Sternenleiche zu überleben, ohne zu ihr hingezogen und gewaltsam verzehrt zu werden. Die Studie ist auf der Pre-Print-Website Arxiv.org veröffentlicht und wurde beim Open Journal of Astrophysics eingereicht.

Im Jahr 2023 entdeckten Astronomen, dass dieser 417 Lichtjahre von der Erde entfernte Stern einen schattenhaften Begleiter hat, den man für den „toten Stern“ hält. Ursprünglich dachten die Wissenschaftler, dass es sich bei dem stellaren Überrest in dem Doppelsternsystem, LAMOST J2354, der seinen Namen erhielt, weil er von Astronomen mit dem Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST) entdeckt wurde, um einen Neutronenstern handelt. Das Team hat jedoch einige Hinweise entdeckt, die diese Identifizierung in Frage stellen und darauf hindeuten, dass es sich bei diesem lauernden toten Stern um einen überdurchschnittlich großen Weißen Zwerg handelt.

„Das System J2354 wurde vom LAMOST-Team entdeckt und soll einen Neutronenstern beherbergen“, sagte Teamleiter Michael A. Tucker, Forscher am Zentrum für Kosmologie und Astroteilchenphysik der Ohio State University (OSU), gegenüber kosmischeweiten.de. „Ursprünglich war ich an diesem System interessiert, denn wenn es sich um einen Neutronenstern handelt, ist er wahrscheinlich während einer Kernkollaps-Supernova entstanden.

Die nahe Explosion des massereichen Sterns, des Vorläufers des Neutronensterns, hätte den Begleiter getroffen und eine Menge Metalle auf die Oberfläche geschleudert“, fügte er hinzu.

Das System ist relativ nahe und hell, was bedeutet, dass es eine ausgezeichnete Gelegenheit bietet, um nach der erwarteten „Verschmutzung“ durch die Supernova zu suchen, erklärt Tucker.

„Leider haben wir keine gefunden, was einer der Gründe dafür ist, dass wir am Ende einen Weißen Zwerg einem Neutronenstern vorgezogen haben“, sagte er.

Weißer Zwerg oder Neutronenstern: Was ist der Unterschied?

Weiße Zwerge und Neutronensterne haben viele Gemeinsamkeiten, aber es gibt auch viele Unterschiede zwischen diesen beiden Klassen von Sternüberresten.

Die größte Ähnlichkeit besteht darin, dass beide Arten von Sternüberresten entstehen, wenn Sterne den Brennstoff für die Kernfusion in ihren Kernen verbrauchen und sich nicht mehr gegen den nach innen gerichteten Druck ihrer eigenen Schwerkraft abstützen können. Dies führt dazu, dass der Stern kollabiert und ultradichte Materie und einen Überrest erzeugt, der durch einen Aspekt der Quantenphysik, der verhindert, dass sich Teilchen desselben Typs zu dicht zusammenballen, vor einem weiteren Kollaps geschützt ist.

Weiße Zwerge entstehen, wenn Sterne mit einer ähnlichen Masse wie die Sonne den Wasserstoff in ihren Kernen verbrauchen. In etwa 5 Milliarden Jahren wird die Sonne diesen Prozess durchlaufen und einen glühenden kosmischen Weißen Zwerg im Herzen der Überreste des Sonnensystems hinterlassen.

Wenn jedoch diese Erschöpfung des Wasserstoffs bei einem Stern eintritt, der etwa achtmal massereicher als die Sonne ist, erzeugt der Kollaps des Sterns den Druck und die Temperatur, um die Kernfusion von Helium im Kern zu schwereren Elementen zu beginnen. Dies setzt sich fort, bis der Stern einen Kern aus Eisen hat, ein Element, das kein Stern in schwerere Elemente fusionieren kann.

Der Kollaps des Sterns zu diesem Zeitpunkt löst eine Supernova-Explosion aus, solange der Stern noch genügend Masse hat, um die so genannte Chandrasekhar-Grenze zu überschreiten, die etwa das 1,4-fache der Sonnenmasse beträgt. Das Ergebnis dieses fusionsartigen Kollapses ist die Entstehung eines Neutronensterns, eines stellaren Überbleibsels, der die ein- bis zweifache Masse der Sonne auf die Breite einer durchschnittlichen Stadt auf der Erde presst.

Zwei Seiten eines „toten Sterns“ ein Neutronenstern links, ein Weißer Zwerg rechts (Bildnachweis: Carl Knox/OzGrav)

Der tote stellare Begleiter im Doppelsternsystem LAMOST J2354 wurde zunächst als Neutronenstern identifiziert, da seine Masse in der Nähe des Chandrasekhar-Limits zu liegen scheint.

„Das Schwierige daran ist, dass sich die Masse der ‚schweren‘ Weißen Zwerge mit der Masse der ‚leichten‘ Neutronensterne überschneidet“, so Tucker. „Selbst wenn man also die Masse genau kennt, lässt sich die Frage nicht beantworten, ob dieser versteckte Begleiter ein Weißer Zwerg oder ein Neutronenstern ist.“

Das Team konnte einige Hinweise finden, die darauf hindeuten, dass der tote Stern von LAMOST J2354 kein Neutronenstern ist. Der erste dieser Hinweise war die Tatsache, dass der lebende Stern des Doppelsternsystems nicht die Trümmer oder die „Verschmutzung“ enthält, die normalerweise durch die kosmische Supernova-Explosion, die den Tod eines massereichen Sterns und die Geburt eines Neutronensterns begleitet, auf ihn herabregnen würde.

Diese Verschmutzung könnte fehlen, wenn der Begleitstern weiter entfernt war, als die Supernova stattfand, aber Tucker erklärt, dass der Neutronenstern in diesem Fall nach innen in Richtung seines Begleiters „gestoßen“ worden sein müsste, um die heute beobachtete Umlaufbahn zu erzeugen.

„Normalerweise dehnen sich die Umlaufbahnen nach einer Supernova aus, weil das System an Masse verloren hat. Um eine engere Umlaufbahn zu erreichen, müssen die Stoßrichtung und die Geschwindigkeit genau abgestimmt werden – wir schätzen die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht, auf nur wenige Prozent“, sagte Tucker.

Dieses Bild zeigt den spektakulären stellaren Ausbruch von V838 Monocerotis im Jahr 2002, ein so genanntes Common-Envelope-Ereignis, ein Ausbruch von zwei Sternen, die sich eine Gashülle teilen. (Bildnachweis: NASA, ESA und The Hubble Heritage Team (STScI/AURA))

Wenn es sich um ein Doppelsternsystem handeln würde, das von einem Neutronenstern umkreist wird, wäre es doppelt so nahe an der Erde wie das nächstgelegene System der gleichen Art. Das würde darauf hindeuten, dass die Dichte solcher Systeme in der Milchstraße etwa achtmal höher ist als derzeit vorhergesagt. Das bedeutet, dass die derzeitigen Modelle einen Weißen Zwerg mit 1,4 Sonnenmassen in LAMOST J2354 favorisieren.

„Es ist nicht der massereichste bekannte Weiße Zwerg, aber er liegt deutlich über dem Durchschnitt“, so Tucker weiter. „Je massereicher ein Weißer Zwerg ist, desto schwieriger ist es im Allgemeinen, ihn zu sehen oder zu finden.“

Er fügte hinzu, dass dies daran liegt, dass Weiße Zwerge die einzigartige Eigenschaft haben, mit zunehmender Masse kleiner zu werden, so dass massereiche Weiße Zwerge kleiner und schwächer sind als weniger massereiche Weiße Zwerge.

„Hinzu kommt, dass massereichere Weiße Zwerge auch schneller abkühlen als massearme Weiße Zwerge, da die höhere Dichte die Leitungseffizienz erhöht, was bedeutet, dass es für die Energie leichter ist, vom Kern zur Oberfläche zu gelangen und zu entweichen“, so Tucker. „Infolgedessen sind massereiche Weiße Zwerge kleiner, kälter und daher viel schwächer als massearme Weiße Zwerge desselben Alters.

Wie ist der Stern seinem lauernden Zombie-Begleiter entkommen?

Für Tucker ist der interessanteste Aspekt von LAMOST J2354 seine Entwicklungsgeschichte.

„Die aktuelle Umlaufbahn ist sehr, sehr eng [etwa 1,5 Mal so breit wie die Sonne] , also hat das System sicherlich ein Ereignis mit einer gemeinsamen Hülle erlebt“, erklärte er.

Das Stadium der „gemeinsamen Hülle“ ist ein häufiges Merkmal der Entwicklung von Doppelsternen, denn wenn der massereichere Stern keinen Wasserstoff mehr in seinem Kern hat, entwickelt er sich zu einem Roten Riesen. Wenn der Abstand zwischen den beiden Sternen weniger als das 500-fache der Sonnenbreite beträgt, wird der Begleitstern des Roten Riesen in dessen ausgedehnte, dünne Schichten eingebettet, daher der Begriff „gemeinsame Hülle“.

„Es gibt Widerstand und Reibung, so dass die Umlaufbahn langsam schrumpft, wenn die Hülle aus dem System ausgestoßen wird. Obwohl dieser Prozess fast jeden Aspekt der Entwicklung von Doppelsternsystemen beeinflusst, ist seine Modellierung aufgrund der lächerlichen zeitlichen und räumlichen Skalen, die dabei eine Rolle spielen, extrem kompliziert“, so Tucker weiter. „Das Ergebnis einer Phase mit gemeinsamer Hülle ist ein engerer Doppelstern, bei dem der massereichere Primärstern den größten Teil seiner Hülle abgestreift hat und ein ‚Heliumstern‘ oder ein ‚Unterzwergstern‘ zurückbleibt.“

Die Illustration zeigt einen Weißen Zwergstern, der zu wiederholten Nova-Ausbrüchen neigt, da er Material von einem nahe gelegenen Roten Riesenstern ansammelt. (Bildnachweis: Romano Corradi/Instituto de Astrofísica de Canaria)Bei massearmen Primärsternen, die weniger als dreimal so massereich sind wie die Sonne, wird laut Tucker das Helium im Kern langsam zu Kohlenstoff und Sauerstoff fusioniert, bevor sich der Doppelstern direkt zu einem normalen Stern und einem „normalen“ Weißen Zwerg entwickelt.

„Massereichere Primärsterne mit mehr als der dreifachen Sonnenmasse können jedoch das Heliumbrennen in einer Hülle um den Kohlenstoff-Sauerstoff-Kern entzünden“, erklärte er. „Dies führt zu einer zweiten Riesenphase, in der sich die Sterne wieder auf einige hundert Mal die Breite der Sonne aufblähen und eine zweite Phase der gemeinsamen Hülle beginnen. Auch hier sollte sich die Umlaufbahn auf Kosten des Auswurfs der Primärsternhülle verringern.“

Was das Team wirklich wissen möchte, ist, wie der massearme Begleiter eines solchen Doppelsterns zwei getrennte Phasen mit gemeinsamer Hülle durchlaufen hat, ohne mit dem toten weißen Zwergstern zu verschmelzen. „Wir wissen, dass Doppelsternsysteme verschmelzen, da die meisten massereichen weißen Zwerge aufgrund ihrer sehr schnellen Rotation Anzeichen für Verschmelzungen zeigen, aber wie/warum hat dieser überlebt?“ fragte Tucker. „Ich habe den Binärstern-Theoretikern diese Forschung als eine Möglichkeit vorgeschlagen, unsere Vorstellungen darüber zu testen, wie die Entwicklung der gemeinsamen Hülle das Ergebnis von engen Doppelsternen bestimmt.

Die Ergebnisse des Teams deuten zwar darauf hin, dass in diesem System ein massereicher Weißer Zwerg lauert, aber die Möglichkeit eines Neutronensterns kann noch nicht ausgeschlossen werden.

„Der beste Weg, um den Begleiter tatsächlich zu bestätigen, ist ein Weißer Zwerg mit einem ultravioletten Spektrum. Leider ist dies nur mit dem Hubble-Weltraumteleskop möglich, mit dem es derzeit schwierig ist, Beobachtungszeit zu bekommen“, so Tucker abschließend. „Unser Vorschlag für dieses Ziel wurde letztes Jahr abgelehnt, also haben wir weitergemacht und veröffentlicht, was wir hatten. Wir werden es in zukünftigen Zyklen erneut versuchen, aber Hubble hat begonnen, sein Alter zu zeigen und sich zu verschlechtern.“

Das bedeutet, dass es noch einige Zeit dauern kann, bis die Astronomen mit Sicherheit wissen, ob der tote Stern in LAMOST J2354 ein Neutronenstern oder ein massereicher Weißer Zwerg ist.

Die Forschungsergebnisse des Teams sind auf der Datenbank arXiv veröffentlicht.