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Hier sind Ungeheuer! Der übergroße reiche Sternhaufen Barbá 2 (Bildnachweis: Apellániz et al., 2024).

In der Vergangenheit haben Kartenmacher oft Monster auf ihre Karten gesetzt, um unerforschte und potenziell gefährliche Regionen zu kennzeichnen. Ein berühmtes Beispiel ist die Karte „Theatrum Orbis Terrarum“ aus dem Jahr 1570, auf der Seeschlangen und andere Seeungeheuer abgebildet sind.

Ein unerforschter Sternhaufen in der Milchstraße legt nahe, dass auch die Astronomen diese Tradition übernehmen sollten. Der Sternhaufen trägt den Namen Barbá 2 und ist nur etwa 24 000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Eine Untersuchung mit dem Weltraumteleskop Gaia ergab, dass Barbá 2 voller roter Überriesensterne ist – Sterne, die Hunderte Male größer als die Sonne sein können und bis zu 1.000.000 Mal so hell wie die Sonne leuchten.

„Es gibt viele offene Sternhaufen in der Galaxie. Aber nicht alle offenen Haufen sind für die Astronomen gleich interessant“, sagt Ignacio Negueruela, Forscher an der Universidad de Alicante, der zu dem Team gehörte, das die Überriesen in Barbá 2 entdeckte, gegenüber kosmischeweiten.de. „Haufen, die reich an roten Überriesen sind, sind sehr selten und tendenziell sehr weit entfernt, aber sie spielen eine entscheidende Rolle für das Verständnis von Schlüsselaspekten in der Entwicklung massereicher Sterne.“

Die einschüchternde Größe und Kraft von Überriesen bedeutet, dass diese Monstersterne ihren Kernbrennstoff viel schneller verbrauchen als Sterne wie die Sonne. Während unser Stern in seiner Hauptreihe etwa 10 Milliarden Jahre lang existieren wird, wird die Lebensdauer von Überriesen auf nur wenige Millionen Jahre geschätzt.

Die kurze Lebensdauer von Überriesen bedeutet, dass offene Sternhaufen wie Barbá 2 zwar häufig vorkommen – allein in der Milchstraße wurden bereits mehr als 1.100 entdeckt -, dass es aber extrem selten ist, einen solchen Haufen mit roten Überriesen zu finden.

Eine von Abraham Ortelius im Jahr 1570 erstellte Weltkarte, die Seeungeheuer in unerforschten Meeresregionen zeigt. (Bildnachweis: Abraham Ortelius – The Library of Congress)

Negueruela fügte hinzu, dass die Untersuchung von offenen Sternhaufen wie Barbá 2, die reich an monstergroßen Sternen sind, wichtig sein könnte, um herauszufinden, wie sie zu Roten Überriesen werden oder nicht und wie dies ihr endgültiges Schicksal beeinflusst.

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„In der Milchstraße gibt es nur eine Handvoll Haufen, die reich an roten Überriesen sind“, sagte er. „Die Entdeckung eines Haufens wie Barbá 2, der mit einem mittelgroßen Teleskop beobachtet werden kann, ist eine bedeutende und aufregende Entdeckung für die Astronomen. Da der Haufen so weit entfernt ist und von einer mäßigen Auslöschung betroffen ist, sieht er auf optischen Bildern nicht nach viel aus.“

Barbá 2 wurde eigentlich schon vor etwa einem Jahrzehnt von dem Astronomen Rodolfo Barbá entdeckt, aber nachdem er 2021 verstorben ist, wurde die Entdeckung erst jetzt veröffentlicht. Daher ist es nur passend, dass der Haufen nun seinen Namen trägt.

„Rodolfo war unter seinen Kollegen dafür bekannt, dass er nur langsam veröffentlichte. Er machte viele bedeutende Entdeckungen, die er auf Tagungen mitteilte oder mit Kollegen diskutierte, aber oft nicht zur Veröffentlichung kam“, sagte Negueruela. „Nach dem Tod von Rodolfo übernahm sein enger Mitarbeiter Jesús Maíz die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass seine Arbeiten veröffentlicht werden.“

Nichts währt ewig, und das gilt sicher auch für die monströsesten Sterne, aber genau wie bei bedeutenden Wissenschaftlern wie Barbá ist das, was zurückbleibt, von entscheidender Bedeutung.

Roter Überriese als Vermächtnis: Schwarzes Loch oder Neutronenstern?

Sternkörper aller Größen haben zwar eine Lebensdauer, die die unsrige in Bezug auf die Dauer wirklich unbedeutend erscheinen lässt, aber diese Sternleben kommen dennoch zum Stillstand, wenn die Sterne den Brennstoff für die Kernfusion in ihren Kernen verbrauchen.

Das Leben eines jeden Sterns ist ein heikler Balanceakt zwischen der nach außen gerichteten Kraft des durch die Kernfusion in seinen Kernen erzeugten Strahlungsdrucks und dem nach innen gerichteten Druck der eigenen Schwerkraft. Ob dieser Kampf nun Millionen oder Milliarden von Jahren andauert, die Schwerkraft gewinnt unweigerlich, aber die Ergebnisse dieses Sieges sind unterschiedlich.

Sterne mit einer ähnlichen Größe wie die Sonne geben den Kampf gegen die Schwerkraft auf, wenn sie die Wasserstoffvorräte in ihren Kernen aufgebraucht haben und sie nicht mehr in Helium umwandeln können.

Durch den Gravitationskollaps dieser kleineren Sterne entsteht ein stellarer Überrest, ein so genannter Weißer Zwerg, der durch ein Quantenphänomen, den so genannten „Elektronenentartungsdruck“, daran gehindert wird, weiter zu kollabieren, was im Wesentlichen verhindert, dass alle Elektronen denselben Zustand einnehmen.

Eine Illustration zeigt die Sonne als weißen Zwerg, umgeben von Gas und Staub, die einst ihre äußeren Schichten waren (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Wenn ein Stern diesen Prozess beginnt, während er mindestens die achtfache Masse der Sonne hat und während seines anfänglichen Kollapses mindestens die 1,44-fache Masse der Sonne beibehalten kann (die so genannte Chandrasekhar-Grenze), kann er bei seinem Kollaps in seinem Kern genügend Druck erzeugen, um Helium zu schwereren Elementen zu fusionieren, was dem Stern neues Leben einhaucht.

Wenn das Helium aufgebraucht ist, wiederholt sich dieser Prozess; der Stern kollabiert wieder und wieder und fusioniert dabei immer schwerere Elemente, bis der massive Stern einen Kern aus Eisen hat, einem Element, das kein Stern zu schwereren Elementen fusionieren kann. Der Stern kollabiert schließlich und löst eine gewaltige Supernova-Explosion aus, die seine äußeren Schichten wegsprengt. Bei diesem Kollaps gibt es jedoch zwei mögliche Ergebnisse.

Durch den Zusammenbruch des massiven Sternkerns werden Elektronen und Protonen zusammengepresst, so dass ein Neutronenstern entsteht, ein Überrest des Sterns, der mit einem Meer von Neutronen gefüllt ist, neutralen Teilchen, die normalerweise in Atomkernen mit Protonen vorkommen. Ein weiterer Kollaps wird durch den „Neutronendegenerationsdruck“ verhindert, d. h. den Druck, den jedes Neutron auf die umgebenden Neutronen ausübt, aber auch dies kann überwunden werden, wenn der Stern genügend Masse hat.

Wenn der Stern vollständig kollabiert, verwandelt er sich in ein schwarzes Loch mit stellarer Masse, eine Region des Weltraums, deren Masse in ihrem Zentrum so dicht ist, dass sie von einer Grenze umgeben ist, aus der nicht einmal das Licht schnell genug fliehen kann, dem so genannten „Ereignishorizont“.

Schwarzes Loch oder Neutronenstern: zwei mögliche Schicksale von supermassereichen Sternen (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Die Grenze zur Überwindung des Drucks der Neutronendegeneration wird als Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze bezeichnet, und man nimmt an, dass sie zwischen dem 2,2- und 2,9-fachen der Sonnenmasse liegt. Das bedeutet, dass sie nicht so gut definiert ist wie die Chandrasekhar-Grenze, und die Wissenschaftler würden diese Grenze gerne mit größerer Gewissheit festsetzen.

Offene Sternhaufen voller Roter Überriesen, die solche Umwandlungen durchlaufen können, könnten das ideale Labor sein, um die Entstehung von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern zu erforschen und zu untersuchen, warum ein Stern den einen und nicht den anderen Weg einschlägt.

„Haufen, die von roten Überriesen dominiert werden, sind vermutlich junge offene Haufen mit einer großen Anzahl von Sternen. Sie geben uns Informationen über die Eigenschaften Roter Überriesen“, erklärte Negueruela. „Diese Haufen sind für Astronomen wertvoll, weil sie uns helfen, Rote Überriesen zu verstehen, die ansonsten nur schwer allein zu untersuchen sind.“

Supercluster ist super-rätselhaft

Negueruela erklärte weiter, dass isolierte Rote Überriesen schwer genau zu charakterisieren sind, da ihre Entfernungen zu uns oft unsicher sind und es schwierig ist, grundlegende Eigenschaften wie ihre Masse und ihr Alter zu bestimmen.

„Das liegt daran, dass Rote Überriesen mit unterschiedlichen intrinsischen Eigenschaften in verschiedenen Phasen ihres Lebens sehr ähnlich aussehen können“, fügte er hinzu.

Die Sterne in offenen Sternhaufen haben sich vermutlich alle zur gleichen Zeit aus derselben kollabierenden Gas- und Staubwolke gebildet. Das bedeutet, dass die Astronomen das Alter des Haufens bestimmen und dann die Eigenschaften der älteren roten Überriesen in den Haufen mit denen der jüngeren blauen Sterne im Haufen vergleichen können.

„Die Massen dieser blauen Sterne sind viel einfacher zu bestimmen, was uns hilft, mehr über die roten Überriesen zu erfahren“, sagte Negueruela. „Unsere Modelle legen nahe, dass die Anzahl der roten Überriesen direkt mit der Masse des Haufens zusammenhängt.“

Das bedeutet, dass die Astronomen etwa fünf Überriesen für jeweils zehntausend Sonnenmassen erwarten. Negueruela wies darauf hin, dass dabei ein weiterer Faktor eine Rolle zu spielen scheint, den wir noch nicht verstehen.

„Manchmal finden wir Haufen mit demselben Alter und derselben Masse, aber ein Haufen ist voll von roten Überriesen, während ein anderer nur einen oder zwei hat“, fuhr er fort. „Es gibt hier ein Element des Zufalls, da die Phase der roten Überriesen im Leben eines Sterns sehr kurz ist und wir es mit geringen Zahlen zu tun haben, bei denen kleine Veränderungen große Auswirkungen haben können“.

Die Modelle des Teams, die für einen Haufen mit einer bestimmten Masse fünf rote Überriesen vorhersagen, legen auch nahe, dass es nicht ungewöhnlich ist, zwei bis acht Überriesen in einem Haufen zu sehen. Negueruela vermutet, dass dies damit zusammenhängen könnte, wie viele Sterne im Haufen Teil von Doppel- oder Mehrfachsternsystemen sind oder sogar mit den Eigenschaften dieser Doppelsterne.

Eine künstlerische Darstellung von Exoplaneten, die um einen roten Überriesenstern kreisen (Bildnachweis: Shutterstock)

Dies ist nicht nur ein Geheimnis der überriesenreichen Sternhaufen, das noch erforscht werden muss, sondern es gibt auch ein paar unerwartete Fragen zum Sternhaufen Barbá 2.

„Erstens befinden sich alle bekannten Haufen, die reich an roten Überriesen sind, in den zentralen Regionen der Milchstraße, mit Ausnahme von NGC 7419“, fügt Negueruela hinzu. „Das macht Sinn, weil die Sternentstehung im Inneren der Galaxie intensiver ist, aber es bedeutet auch, dass alle diese Haufen wegen der starken Extinktion [Lichtblockierung] durch Staub und Gas entlang der Sichtlinie schwieriger zu untersuchen sind. Barbá 2 hingegen befindet sich in einem ganz anderen Teil der Milchstraße, nämlich am äußeren Rand.“

Ein weiterer interessanter Punkt ist, so der Forscher, dass der Himmelsbereich, in dem Barbá 2 zu finden ist, sehr gut erforscht ist, da er viele faszinierende Objekte enthält. Die Entdeckung dieses supergroßen Sternhaufens deutet darauf hin, dass es trotz jahrelanger Suche noch viele verborgene Schätze gibt, die darauf warten, entdeckt zu werden.

„Ich bin ein wenig überrascht, dass noch niemand auf Barbá 2 gestoßen ist“, sagte Negueruela. „Diese Entdeckung zeigt, dass wir unsere Suchmethoden noch verbessern können.“

„Einen dieser Haufen zu finden, ist nur ein erster Schritt. Um ihr Potenzial als astrophysikalische Laboratorien voll auszuschöpfen, müssen wir stellare Modelle und Beobachtungen kombinieren“, schloss Negueruela. „Wir werden versuchen, weitere Spektren zu erhalten, um das Alter des Haufens und damit seine Gesamtmasse genau zu bestimmen.

„Außerdem hoffen wir, aus den Eigenschaften dieses Haufens zu lernen, um unsere Techniken zur Entdeckung ähnlicher Haufen in der Zukunft zu verfeinern.“

Die Arbeit des Teams ist auf der Website arXiv veröffentlicht.