Ein zusammengesetztes Nah- und Mittelinfrarotbild des JWST des Südlichen Ringnebels (Bildnachweis: NASA/ESA/CSA/STScI/O. De Marco (Macquarie University)/J. DePasquale (STScI))
Der prächtige, wogende Südliche Ringnebel ist der Kokon eines sterbenden Sterns – und er hat ein Geheimnis. Wissenschaftler haben festgestellt, dass dieser Nebel eine Doppelringstruktur aufweist, die nicht nur auf einen, sondern möglicherweise auf drei Sterne in seinem Herzen hindeutet.
Der Südliche Ringnebel, auch NGC 3132 genannt, ist ein planetarischer Nebel, der sich in etwa 2.000 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Vela, die Segel, befindet. Die Bezeichnung „Planetarischer Nebel“ ist eine Fehlbezeichnung – solche Nebel haben nichts mit Planeten zu tun. Vielmehr handelt es sich um die letzten Ausdünstungen sterbender, sonnenähnlicher Sterne, die sich im Inneren der Nebelpuppe verwandeln, bis sie schließlich zu einem Weißen Zwerg erblühen. Ein Nebel entsteht aus der äußeren Hülle des sterbenden Sterns, die sich nach der Roten-Riesen-Phase des Sterns in den Weltraum bläht.
Der Südliche Ringnebel wurde im Dezember 2022 mit dem James Webb Space Telescope (JWST) aufgenommen, wobei molekulares Wasserstoffgas entdeckt wurde, das das „Exoskelett“ des Nebels bildet. Dabei handelt es sich um warmes Gas, das mit einer Temperatur von etwa 1.000 Kelvin (1.340 Grad Fahrenheit oder 726 Grad Celsius) strahlt, wenn es vom ultravioletten Licht des Weißen Zwerges selbst beleuchtet und aufgeheizt wird. Dieses Exoskelett macht jedoch nur einen kleinen Teil des molekularen Gases im Nebel aus.
Ein Team unter der Leitung von Joel Kastner vom Rochester Institute of Technology machte sich auf die Suche nach weiteren Molekülgasen im Nebel, insbesondere nach Kohlenmonoxidgas, und nutzte dazu das Submillimeter-Array (SMA), eine Gruppe von acht Radioteleskopen auf dem inaktiven Vulkan Mauna Kea auf Hawaii. Kohlenmonoxid ist im Inneren des Nebels mit Wasserstoff und anderen molekularen Gasen vermischt, so dass die Beobachtung des Kohlenmonoxidgehalts stellvertretend für die Beobachtung all der anderen Moleküle steht, die nicht so leicht zu erkennen sind. Tatsächlich konnte die SMA sowohl die Verteilung als auch die Geschwindigkeit der Kohlenmonoxidmoleküle messen, was zeigt, welche Teile sich auf uns zu- und welche sich von uns wegbewegen.
„JWST hat uns die Wasserstoffmoleküle gezeigt und wie sie sich am Himmel stapeln, während das Submillimeter Array uns das Kohlenmonoxid zeigt, das kälter ist und das man auf dem JWST-Bild nicht sehen kann“, sagte Kastner in einer Presseerklärung.
Wie der Name des Südlichen Rings schon sagt, ist er (aus unserer Sicht) in erster Linie als Ring geformt. Die SMA-Beobachtungen zeigten, dass sich dieser Ring ausdehnt, was zu erwarten ist, da der Nebel langsam wächst und sich schließlich auflöst. Die Daten ermöglichten es Kastners Team jedoch auch, eine dreidimensionale Karte des molekularen Exoskeletts des Nebels zu erstellen. Dies brachte eine Überraschung mit sich. Die Forscher konnten nicht nur zeigen, dass es sich bei dem, was wir als Ring sehen, lediglich um einen Lappen in einem bipolaren Nebel handelt, der von hinten gesehen wird, sondern sie fanden auch einen zweiten Ring, der senkrecht zum ersten steht.
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„Als wir begannen, den gesamten Nebel in 3D zu drehen, sahen wir sofort, dass es sich um einen Ring handelte, und dann waren wir erstaunt, dass es noch einen weiteren Ring gab“, sagte Kastner.
Das ganze bizarre Arrangement zeigt einen faszinierenden Schweif von nicht einem, nicht einmal zwei, sondern möglicherweise drei Sternen im Herzen des Nebels. Nur einer dieser Sterne, der massereichste der drei, wird das Ende seines Lebens erreicht haben – aber das Sterntrio, falls es wirklich alle drei gibt, ist wahrscheinlich entweder zu nahe beieinander oder zu schwach, um getrennt aufgelöst zu werden, selbst mit dem JWST.
Ein zusammengesetztes JWST-Bild des Südlichen Ringnebels im nahen und mittleren Infrarot. (Bildnachweis: NASA/ESA/CSA/STScI/O. De Marco (Macquarie University)/J. DePasquale (STScI))
Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass einige planetarische Nebel, zumindest solche mit komplexen Strukturen, durch die Interferenz eines Begleitsterns mit dem sterbenden Zentralstern entstanden sind. Für den Südlichen Ring geht Kastners Team davon aus, dass ein Dreifachsystem, das aus einem engen Doppelstern besteht, von einem weiter entfernten dritten Stern umkreist wird, der sich in einem Orbitalradius von 60 Astronomischen Einheiten um den Doppelstern befindet (eine Astronomische Einheit, AU, ist die Entfernung zwischen der Erde und der Sonne, und in unserem Sonnensystem wären 60 AU der äußerste Rand des Kuipergürtels).
Die beiden Lappen des Südlichen Rings haben eine schmale oder „gekniffene“ Taille, die einer Sanduhr ähnelt. Dies ist ein übliches Merkmal planetarischer Nebel, die aus einem Doppelsternsystem hervorgehen, in dem einer der Sterne das Ende seines Lebens erreicht. Der Doppelstern ist in der Lage, das Material, das der sterbende Stern abwirft, so zu bündeln, dass es in einer polaren und nicht in einer äquatorialen Richtung entweicht und die beiden Lappen bildet. Die Beobachtungen des JWST im mittleren Infrarotbereich unterstützen diese Hypothese, da ein Überschuss an infrarotem Licht aus dem Zentralsternsystem festgestellt wurde, was ein klassisches Anzeichen für eine staubige Scheibe ist, die sich aus der Wechselwirkung zwischen dem Roten Riesen und einem nahen Doppelsternbegleiter gebildet hat.
Das erklärt also den ersten Ring. Der Ursprung des zweiten Rings, so das Team, ist weniger sicher.
Obwohl der südliche Ring zweischalig erscheint, muss etwas Material als etwa kugelförmige oder ellipsoidische Hülle von Material ausgestoßen worden sein, das der Rote Riese abgeworfen hat, ein schnelles Massenverlustereignis, das vielleicht sein letztes Ausatmen von Material darstellte, um den Weißen Zwerg zurückzulassen. Das Doppelsternsystem erzeugt eine Reihe von schnellen, schmalen Strahlen, aber wenn ein dritter Stern vorhanden ist, würde die Schwerkraft des zusätzlichen Sterns auf den inneren Doppelstern wirken und die Richtung der Strahlen wie ein Kreisel „wackeln“ lassen. Diese vorauseilenden Strahlen hätten eine kreisförmige Vertiefung in die ellipsoide Komponente des Nebels gegraben und damit den zweiten Ring geschaffen.
Kastner betont, dass diese Erklärung noch spekulativ ist, aber der zentrale ionisierte Hohlraum des Nebels weist in seiner Struktur auf solche Jets hin.
Andere ringförmige planetarische Nebel, wie der Helixnebel (NGC 7293 im Wassermann), weisen ebenfalls eine zweischalige Struktur auf, bei der wir am Ende eines Lappens nach „unten“ schauen. Die Entdeckung des zweiten Rings im Südlichen Ringnebel – oder sollte es jetzt Südliche Ringe im Plural heißen? – veranlasst die Astronomen dazu, einige dieser anderen bekannten Ringnebel erneut zu untersuchen, um zu sehen, ob sie ebenfalls zweite Ringe vermissen.
Planetarische Nebel sind nicht nur ein Zeichen für den Tod eines Sterns. Sie sind auch ein Versprechen für neues Leben – im wahrsten Sinne des Wortes.
„Woher kommen der Kohlenstoff, der Sauerstoff und der Stickstoff im Universum?“, fragt sich Kastner. „Wir sehen, dass sie in sonnenähnlichen Sternen entstehen, die sterben, wie der Stern, der gerade gestorben ist und den Südlichen Ring geschaffen hat.“
Wenn sich ein expandierender planetarischer Nebel in den interstellaren Raum ausbreitet, verteilt er diese Moleküle im gesamten Kosmos, wo sie in riesigen Molekülwolken landen, die die nächste Generation von Sternen und Planeten bilden.
„Ein großer Teil dieses molekularen Gases würde in den Atmosphären der Planeten landen, und Atmosphären können Leben ermöglichen“, sagt Kastner. Alle Elemente auf der Erde, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium, sind im Inneren von Sternen entstanden und wurden dann ins All geschleudert, als diese Sterne starben.
Wir sind buchstäblich Sternenmaterial, wie viele Experten gerne sagen.
Wenn wir also die Schönheit des Sternentods in Nebeln wie dem Südlichen Ring bewundern, können wir ihn uns auch als stellaren Phönix vorstellen, der sich eines Tages aus der Asche erhebt und den Zyklus von Sterngeburt und -tod von Neuem beginnt. Um es mit den Worten von Battlestar Galactica zu sagen: All das ist schon einmal geschehen, und all das wird wieder geschehen.
Die Ergebnisse wurden am 2. April in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
