Sternenbeben öffnen das Fenster ins Innere von Sternen

Unser Wissen über das Universum hängt stark von den inneren Schwingungen von Sternen ab. Die Asteroseismologin Lisa Bugnet vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) untersucht diese Sternenbeben, um daraus Informationen zum Aufbau der Himmelskörper abzuleiten. Diese Prozesse wiederum liefern neue Erkenntnisse über verschiedene Objekte im All und unser gesamtes Universum.

futurezone: Warum ist die Asteroseismologie so ein mächtiges Werkzeug in der modernen Sternforschung?
Lisa Bugnet: Indem wir die Frequenzen dieser Schwingungen analysieren, können wir die inneren Strukturen von Sternen untersuchen, ähnlich wie Seismologen Erdbeben nutzen, um das Innere der Erde zu erforschen. Dieses Verfahren ist revolutionär, weil es uns ermöglicht, in Sterne „hineinzusehen” und Details über ihre Struktur, Zusammensetzung und innere Dynamik zu erfahren sowie Rückschlüsse auf ihr Alter, ihre Zusammensetzung und ihre inneren physikalischen Prozesse zu ziehen.

Warum ist das Wissen über die innere Dynamik wichtig?
Die innere Dynamik von Sternen – wie ihre Rotation, Durchmischung und Magnetfelder – bestimmt ihre Entwicklung, Lebensdauer und ihr letztendliches Schicksal. Sterne sind die Bausteine von Galaxien und die Fabriken schwerer Elemente, die für Planeten und Leben wichtig sind. Wenn wir verstehen, wie Sterne im Inneren funktionieren, können wir Phänomene wie Supernovae, die Entstehung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern und sogar die chemische Anreicherung des Universums erklären. Dieses Wissen hilft uns, die Geschichte des Universums selbst nachzuvollziehen.

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Was sind die bisher interessantesten Erkenntnisse aus Ihrem Forschungsfeld?
Eine der spannendsten Entdeckungen in meinem Fachgebiet waren gemischten Schwingungsmoden. Diese ermöglichen es uns zum ersten Mal, Prozesse im tiefen Kern von Roten Riesen, den Nachkommen von Sternen wie unserer Sonne, zu untersuchen. Eine weitere bahnbrechende Erkenntnis ist die unerwartet langsame Rotation von Sternkernen. Traditionelle Modelle sagten voraus, dass Sternkerne aufgrund der Erhaltung des Drehimpulses viel schneller rotieren sollten, da der Kern mit der Zeit schrumpft. Die Asteroseismologie hat jedoch gezeigt, dass viele Kerne viel langsamer rotieren als erwartet. Das deutet darauf hin, dass interne Prozesse – wie Magnetfelder oder komplexe Strömungsdynamiken – den Drehimpuls viel effizienter umverteilen, als bisher gedacht. Diese Entdeckungen zwingen uns dazu, unsere Theorien über die Struktur und Entwicklung von Sternen zu überdenken.

Was bedeuten die höheren Rotationsraten?
Das zeigt, dass wir etwas in unserem Verständnis der Sternphysik übersehen. Das hat weitreichende Folgen: Eine ungewöhnlich schnelle Rotation in Modellen verändert fälschlicherweise die Vermischung chemischer Elemente im Stern und beeinflusst dessen Entwicklung. Deshalb machen wir wahrscheinlich Fehler, wenn wir das Alter von Objekten im Universum messen.

Welche Erkenntnisse aus Ihrer eigenen Forschung sind besonders relevant? 
Ich habe die Analysemöglichkeiten gemischter Moden genutzt, um zu untersuchen, ob Magnetfelder im Kern von Roten Riesen nachweisbar sind. Magnetfelder spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Sternaktivität und beeinflussen alles – von Sternflecken bis zur Emission von Sternwinden. Das Verständnis dieser Felder ist nicht nur für die Modellierung von Sternen wichtig, sondern auch für die Bewertung ihrer Auswirkungen auf die umgebenden Planeten, einschließlich ihrer potenziellen Bewohnbarkeit.

Stellare Magnetfelder wurden in Modellen der Sternentwicklung bisher eher vernachlässigt. Warum? 
Weil sie so komplex sind, es kaum Beobachtungsdaten dazu gibt und sie rechnerisch echt schwierig sind. Magnetfelder bringen nichtlineare, multi-skalige Wechselwirkungen mit sich, die man nur schwer genau simulieren kann. Außerdem waren die Beobachtungsdaten zum stellaren Magnetismus – vor allem für andere Sterne als die Sonne – bis zu den neuesten Fortschritten in der Spektropolarimetrie und bei Weltraumteleskopen ziemlich begrenzt. Viele Modelle gingen davon aus, dass magnetische Effekte im Vergleich zu Schwerkraft, Kernreaktionen und thermischen Prozessen zweitrangig seien. Heute wissen wir aber, dass Magnetfelder eine wichtige Rolle beim Drehimpulstransport, bei chemischen Vermischungsprozessen und sogar beim Entstehen von Sternwinden spielen. Deshalb müssen sie in realistischen Modellen berücksichtigt werden, um die für die moderne Astrophysik erforderliche Genauigkeit zu erreichen.

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Welchen Effekt hätte ein besseres Verständnis über stellare Magnetfelder? 
Es könnte die Altersbestimmung von Sternen und damit auch die Altersschätzung von Objekten im gesamten Universum komplett verändern. Magnetfelder beeinflussen alles: Rotationsgeschwindigkeiten, Vermischung von Elementen, Wechselwirkungen zwischen Kern und Hülle – alles wichtige Faktoren für die Entwicklung von Sternen. Zum Beispiel ist die magnetische Bremsung (die Verlangsamung der Rotation eines Sterns aufgrund seines Oberflächenmagnetfelds) ein wichtiges Werkzeug für die Gyro-Chronologie, eine Methode zur Schätzung des Alters von Sternen.

Wenn wir genau modellieren können, wie sich Magnetfelder im Laufe des Lebens eines Sterns entwickeln, können wir die Altersschätzungen für einzelne Sterne und Sternhaufen verbessern. Dies wiederum verfeinert unser Verständnis von Sternen, Planetensystemen und galaktischen Wechselwirkungen. Unsere Sonne wird zum Beispiel zu einem Roten Riesen werden und dabei einige Planeten verschlingen. Können wir vorhersagen, wann dieser Übergang stattfinden wird? Keine Sorge, wir haben noch einige Milliarden Jahre Zeit – wenn wir den aktuellen Sternmodellen ohne Berücksichtigung von Magnetfeldern vertrauen.

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