Das Leben, wie wir es kennen, basiert auf der Chemie des Kohlenstoffs, und das James Webb Space Telescope hat nun möglicherweise gezeigt, woher ein Großteil dieses Kohlenstoffs stammt. Die Entdeckung ist auf Hüllen aus Kohlenstoffstaub zurückzuführen, die sich von einem Duo massereicher Sterne ausbreiten.
Das fragliche System heißt WR 140 und umfasst zwei massereiche Sterne, die beide schließlich zur Supernova werden. Der eine Stern ist ein massives Ungetüm vom Typ O – die heißeste und leuchtkräftigste Art von Stern mit einem starken Strahlungswind – und befindet sich knapp 5.000 Lichtjahre von uns entfernt im Sternbild Schwan. Sein Partner ist ein Wolf-Rayet (WR) Stern. Solche Sterne sind ebenfalls massereich, aber gegen Ende ihres Lebens werden sie unruhig, da interne Instabilitäten dazu führen, dass sie ihre Masse in Schüben und Sturzbächen abwerfen und schließlich ihr entwickeltes Inneres enthüllen.
Die beiden Sterne haben keine perfekt kreisförmige Umlaufbahn umeinander. Ihre Bahnen sind gestreckt und bringen sie alle 7,9 Jahre mal näher und mal weiter voneinander weg. An ihrem engsten Punkt, dem Periastron, sind die beiden Sterne nur 1,3 Astronomische Einheiten (AE) voneinander entfernt. Das sind 194,5 Millionen Kilometer (120,8 Millionen Meilen), also nur ein wenig weiter als die Erde von der Sonne entfernt ist.
Das JWST hat 17 konzentrische Staubschalen abgebildet, die das Doppelsternsystem WR 140 umgeben. (Bildnachweis: NASA/ESA/CSA/STScI/Emma Lieb und Jennifer Hoffman (University of Denver/Ryan Lau (NSF NOIRLab))
Während mehrerer Monate um das Periastron herum stürzt der Materialregen, der vom Wolf-Rayet-Stern abgeschüttelt wird, in den heftigen Strahlungswind, den der Stern vom Typ O aussendet. Im Sog dieser heftigen Kollision stoßen die Teilchen in den Winden der beiden Sterne zusammen, verdichten sich zu Klumpen und kühlen schließlich ab, so dass sich kohlenstoffreicher Staub von nur einem Millionstel Meter Größe bildet. Dieser Staub bildet einen Ring oder eine Hülle um die beiden massereichen Sterne, die dann beginnt, nach außen zu driften. Acht Jahre später, beim nächsten Periastron, bildet sich ein neuer Ring – und so weiter und so fort.
Bislang waren nur die innersten Ringe dieses Ereignisses im sichtbaren und infraroten Licht zu sehen. Nun aber hat das JWST dank seines Mittelinfrarot-Instruments (MIRI) 17 verklumpte, konzentrische, ringförmige Hüllen um das System WR 140 abgebildet, die sich in den Weltraum ausdehnen. Die Klumpen, von denen einige die Größe unseres gesamten Sonnensystems haben, sind die Orte, an denen die Staubproduktion am größten ist.
Die expandierenden Hüllen sind auch nicht träge. Sie rasen mit 1.600 Meilen pro Sekunde (etwa 2.600 Kilometer pro Sekunde) vom Doppelsternsystem weg. Das ist fast 1 % der Lichtgeschwindigkeit (0,87 %, um genau zu sein).
„Das Teleskop … zeigte, dass sich die Staubschalen mit konstanten Geschwindigkeiten nach außen bewegen und sichtbare Veränderungen in unglaublich kurzen Zeiträumen zeigen“, sagte Emma Lieb, eine Doktorandin an der Universität von Denver in Colorado, die die neue Forschung geleitet hat, in einer Erklärung.
Zwei JWST-MIRI-Bilder des Systems WR 140, die im Abstand von 14 Monaten aufgenommen wurden und zeigen, wie sich die Hüllen in dieser Zeit ausgedehnt haben (im Bild rechts zu sehen). (Bildnachweis: NASA/ESA/CSA/STScI/Emma Lieb und Jennifer Hoffman (University of Denver/Ryan Lau (NSF NOIRLab)).
Wir sind daran gewöhnt, dass Ereignisse im Weltraum langsam ablaufen, über Millionen oder Milliarden von Jahren“, sagte Jennifer Hoffman, ebenfalls Professorin für Astronomie an der Universität Denver, in derselben Erklärung. „In diesem System zeigt das Observatorium, dass sich die Staubschalen von einem Jahr zum nächsten ausdehnen.“
Die ältesten sichtbaren Hüllen sind 130 Jahre alt, aber diese engen Begegnungen zwischen den beiden Sternen während der Wolf-Rayet-Phase von WR 140 dauern schon seit Hunderttausenden von Jahren an. Die älteren Ringe wären entweder selbst für das JWST zu schwach, um sie zu sehen, oder sie haben sich im Weltraum aufgelöst. Es wird erwartet, dass das System in den nächsten paar Hunderttausend Jahren noch Zehntausende weiterer Hüllen bilden wird.
Und dann – Peng.
Der Wolf-Rayet-Stern hat derzeit die zehnfache Masse unserer Sonne, und obwohl er weiter an Masse verliert, wird er nicht genug abnehmen, um nicht als Supernova zu explodieren (die Untergrenze liegt bei acht Sonnenmassen). Was passiert dann mit den Hüllen aus kohlenstoffreichem Staub?
Es gibt zwei Möglichkeiten. Die eine ist, dass die Schockwelle der Supernova einige oder alle Staubhüllen zerstört, und die andere ist, dass die Supernova nicht detoniert, wenn der Kern des Sterns unter seiner eigenen Schwerkraft so vollständig kollabiert, dass er ein schwarzes Loch bildet, das den Rest des Sterns schnell nach innen zieht. Im letzteren Fall gäbe es keine Supernova, und die Hüllen aus Kohlenstoffstaub könnten sich in die Tiefe des Weltraums ausdehnen und sich dem interstellaren Medium anschließen, aus dem die Rohstoffe für die nächste Generation von Sternen und Planeten stammen.
„Eine wichtige Frage in der Astronomie ist, woher der ganze Staub kommt“, sagte Ryan Lau, ein Astronom am NOIRLab der National Science Foundation in Tucson, Arizona, in der Erklärung. „Wenn kohlenstoffreicher Staub wie dieser überlebt, könnte er uns helfen, eine Antwort auf diese Frage zu finden.
Carl Sagan beschrieb uns einmal treffend als „Sternenzeug“, in dem Sinne, dass wir aus Elementen bestehen, die in Sternen geboren wurden. Wenn die Hüllen aus kohlenstoffreichem Staub, die das JWST abbildet, das Ende des Wolf-Rayet-Sterns überleben können, sehen wir vielleicht die Entstehung des Sternenmaterials, aus dem später Leben entsteht.
„Wir wissen, dass Kohlenstoff für die Bildung von Gesteinsplaneten und Sonnensystemen wie dem unseren notwendig ist“, so Hoffman. „Es ist aufregend, einen Blick darauf zu werfen, wie Doppelsternsysteme nicht nur kohlenstoffreichen Staub erzeugen, sondern ihn auch in unsere galaktische Nachbarschaft schleudern.“
Die neuen JWST-Bilder und -Ergebnisse wurden auf der 245. Tagung der American Astronomical Society am 13. Januar vorgestellt und in Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
