Teenager-Sterne schwingen schneller

Die österreichische Wissenschaftlerin Konstanze Zwintz hat mit der Asteroseismologie einen enorm wichtigen Beitrag zur Altersbestimmung von Sternen geleistet. Die zur Zeit an der Universität Innsbruck arbeitende Forscherin gilt als Expertin für so genannte Pre-Main-Sequence-Sterne. Das sind Sterne, die noch nicht mit Kernfusion in ihrem Inneren begonnen haben und damit in die so genannte "Hauptreihe" eingetreten sind.

Am 12. April wird Zwintz im Rahmen der alljährlich stattfindenden "Yuri's Night" in der Urania in Wien einen Vortrag halten. Wir haben der Forscherin einige Fragen zur Entwicklung und dem Leben von Sternen gestellt.

Schwingende Sterne

Ihr Vortrag bei der Yuri's Night trägt den Titel "Wenn junge Sterne beben". Sie beschreiben darin, wie Sterne gemäß ihrem Entwicklungsstand unterschiedlich pulsieren. Wie genau pulsiert ein Stern eigentlich? Wenn ein Stern schwingt, bedeutet das, dass sich sein Radius verändert. Der Stern zieht sich zusammen und dehnt sich aus. Diese Radiusänderung produziert zwei verschiedene Dinge: Zunächst ändert sich die Helligkeit. Ein großer Stern hat mehr Fläche, die leuchten kann. Er ist daher heller als ein kleiner Stern. Wenn man sich also die Schwingung eines Sterns ansieht, hat der einmal eine etwas größere Fläche, einmal eine etwas kleinere Fläche. Damit produziert er Helligkeitsschwankungen.

Wie stark sind diese Helligkeitsschwankungen? Diese Helligkeitsschwankungen sind minimal. Das kann man sich so vorstellen: Sie haben die Flamme einer Kerze, die sie aus einem Kilometer Entfernung mit freiem Auge beobachten. Die Helligkeit der Flamme schwankt um ein Millionstel und weniger. Aber wir können so etwas messen. Die Helligkeitsschwankungen bei Sternen sind ganz klein, aber daran erkennen wir, dass sich der Radius ändert.

Was verändert sich noch bei der Radiusänderung eines Sterns? Der zweite Punkt ist die Veränderung der Geschwindigkeit. Wenn sich ein Stern auf die Erde zubewegt und er dehnt sich aus, nimmt die Geschwindigkeit zu. Wenn er sich zusammenzieht, wird er langsamer. Auch diese Geschwindigkeitsänderungen kann man messen.

Was verursacht das Schwingen eines Sterns? Einfach erklärt, hat es etwas mit einem Energiestau im Inneren zu tun. Ein Stern wird im Inneren immer heißer und heißer, er produziert enorme Strahlungsenergie. Gleichzeitig gibt es physikalische Prozesse, die verhindern, dass die Energie nach außen transportiert wird. Wie bei einem Druckkochtopf wird es irgendwann zu viel, der Stern dehnt sich aus. Die Außenschicht wird größer, was dazu führt, dass sie wieder abkühlt. Der Stern zieht sich dann wieder zusammen. Das ergibt diese Pulsation.

Es gibt aber noch einen anderen Mechanismus. Ähnlich einer Glocke, die man anschlägt, schwingt sich ein Stern aus. Aber dann gibt es wieder einen Impuls nach einer gewissen Zeit und der Stern pulsiert wieder stärker. Durch diese Mechanismen schwingt ein Stern. Die damit einhergehenden Helligkeitsänderungen messen wir.

Und diese Schwingungen verändern sich dann mit der Entwicklung eines Sterns? Genau. Wenn man das Leben eines Sterns mit einem Menschenleben vergleicht, dann haben wir bei erwachsenen Sternen viele Arten von Pulsationen gefunden. Die Schwingungen können dabei ganz unterschiedliche Perioden aufweisen. Der eine Stern schwingt mit einer halben Stunde Periode, ein anderer schwingt in Perioden von mehreren Tagen. Ganz alte Sterne haben Schwingungsperioden von mehreren Jahren. Das wusste man alles schon.

Was man bis vor ungefähr 20 Jahren nicht wusste, war, dass Sterne auch in ihrer Kindheits- oder Teenager-Phase schwingen können. Man dachte, die richtigen Zustandbedingungen im Inneren würden fehlen. Mittlerweile weiß man, dass auch diese Sterne schwingen können.

Informationen aus dem Inneren

Wie kann man diese Erkenntnis nun verwerten? Der springende Punkt ist, dass eine Sternenschwingung Informationen aus dem Inneren transportiert. Mit Teleskopen sehen wir nur die Oberflächenbeschaffenheit von Sternen. Wir wissen, wie heiß er ist, wie groß er ist. Aber wir können nicht hineinschauen. Das ist aber das eigentlich Spannende. Wie sich das Innere eines Sterns im Laufe seiner Entwicklung verändert.

Was kann denn im Inneren eines Sterns alles passieren? Ein Stern wird in einer Molekülwolke geboren. Dort zieht er immer mehr Material zusammen und wird immer kleiner und heißer. Irgendwann einmal ist er heiß genug, um im Inneren Kernfusion zu beginnen. Zuerst einmal wird Wasserstoff zu Helium fusioniert. Wenn dann kein Wasserstoff mehr da ist, werden andere Elemente ineinander umgewandelt. Helium wird zu Lithium und so weiter, bis der Stern nichts mehr hat, was er verbrennen kann, weil die Temperaturen nicht mehr erreicht werden können. Das hört bei Eisen auf. Die dafür notwendige Temperatur kann ein Stern nicht mehr produzieren.

Sie sehen schon, da passiert im Laufe der Entwicklung relativ viel. Es wäre natürlich interessant, wenn man hineinschauen könnte in den Stern. So wie ein Arzt von uns ein Röntgenbild macht, um zu sehen, was in unserer Lunge ist, oder unserem Bauch. Man kann da auch nicht einfach reinschneiden und schauen, beim Stern können wir's auch nicht.

Wie sieht man dann in einen Stern hinein? Die Asteroseismologie erlaubt es uns, aufgrund der Sternschwingungen etwas über den Aufbau des Sterns zu sagen. Die Schwingung wird charakterisiert durch Frequenzen - wie bei einem Radio - und durch eine Amplitude. Wir können das Ganze weiterverarbeiten und wissen dann, welcher Druck, welche Dichte im Inneren herrschen. Aufgrund dessen können wir dann sagen, was da gerade passiert.

Was sind denn die grundlegenden Schwingungs-Unterschiede zwischen erwachsenen und jungen Sternen? Wir haben herausgefunden, dass Sterne immer schneller schwingen, je näher sie dem Erwachsenenalter kommen. Ganz junge Sterne schwingen sehr langsam. Im Nachhinein gesehen ist das auch logisch. Ein Stern, der sich gerade erst gebildet hat, der noch eher aufgeblasen ist, noch Staub und Gas drumherum und einfach einen großen Radius hat, der schwingt langsamer als ein Stern, der sich schon zusammengezogen hat, eine innere Struktur aufgebaut hat, der kurz davor ist, das Wasserstoffbrennen zu zünden.

Es war aber nicht klar, dass das so eindeutig ist. Es hat sehr viel Arbeit gebraucht, um die Daten dafür zu sammeln, sie zu analysieren und uns selbst zu überzeugen, dass wir keinen Fehler gemacht haben.

Der Ball aus der Wolke

Diese Kinder- und Teenager-Sterne, die Pre-Main-Sequence-Stars, bei diesen Sternen hat die Kernfusion noch nicht begonnen. Wie kann man sich diese Sterne vorstellen? Am Anfang hat man eine Molekülwolke. Das ist eine dichte Gaswolke. "Dicht" ist allerdings immer noch dünner als das beste Vakuum, das wir auf der Erde erzeugen können. Aber im Weltall ist eine Molekülwolke etwas extrem dichtes. Aus der entsteht ein Stern. Man sagt Protostern dazu, wenn er schon ein erkennbarer Gasball ist, eine Kugelform hat. Der Gasball beginnt relativ bald zu leuchten, nur kann man das im optischen Bereich noch nicht sehen. Im Röntgen- oder Infrarotbereich schon.

Wodurch leuchtet der Stern eigentlich? Er leuchtet aufgrund der Hitze. Das Gas verdichtet sich und wird immer heißer. Die Schwerkraft zieht alles an, was in der Molekülwolke drumherum fliegt. Der Stern wird immer heißer und beginnt zu leuchten. Später leuchtet der Stern auch aufgrund der Hitze, nur im Inneren sieht es anders aus. Irgendwann hat der Stern so viel Material angesammelt und ist so heiß, dass er einen Teil seines Materials wegblasen kann. Dieses Wegblasen nennt man Sternwind. Bei der Sonne nennt man es Sonnenwind. Der bläst Staub- und Gasreste um den Stern herum weg. Dadurch beginnt der Stern, langsam optisch sichtbar zu werden.

Was passiert mit den abgestoßenen Staubresten? Die formen sich zu einer Scheibe. Aus diesen Staubscheiben können sich dann Planeten formen.

Wie kann man feststellen, ob in einem Stern die Kernfusion begonnen hat oder nicht? Das können wir im Prinzip nur durch die Asteroseismologie. Wir können Frequenzmessungen durchführen und die Ergebnisse mit Modellen vergleichen. Dann sieht man, ob die Frequenzen eher auf das eine oder andere Modell passen. Dadurch können wir sagen, ob ein Stern bereits Kernfusion hat oder noch nicht. Das ist ein großer Erfolg, das konnte man bisher nicht. In der Literatur gibt es genug Leute, die an Sternen gearbeitet haben und immer davon ausgegangen sind, dass die Wasserstoff fusionieren, dabei ist das gar nicht so.

In diesen Geburtswolken, wo sich ein Stern nach dem anderen zusammenzieht und bildet, herrscht dort dann nicht eine ziemliche Überbevölkerung mit Sternen? In England gab es vor ein paar Jahren Leute, die die Sternenentstehung simuliert haben. Das spielt sich ziemlich dramatisch ab und nicht so ruhig, wie wir uns das vielleicht vorstellen. In so einer riesigen Molekülwolke kommt plötzlich eine Druckwelle von außen, etwa durch eine Supernova. Dadurch werden Teile der Molekülwolke verdichtet. Diese Verdichtungen können miteinander kollidieren oder sich wegstoßen. Das ist ein extrem virulenter, dramatischer Prozess. Nur die Stärksten überleben.

Die Teile, die dann die höchste Masse haben, werden dann langsamer und träge. Kleinere Teile werden verschluckt. Dadurch entstehen die Sterne auch in einem gewissen Abstand. Dennoch können Sterne aufeinanderprallen oder sich gegenseitig wegkatapultieren.

Am Ende wird geschrumpft

Am Ende eines Sternenlebens steht das Zusammenschrumpfen zu einem Weißen Zwerg, einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch. Kann man mit Asteroseismologie Prognosen treffen, wann es bei einem Stern genau so weit sein könnte, dass er schrumpft? So genau glaube ich nicht. Weiße Zwerge können auch pulsieren. Das ist sehr wenig verstanden, wir haben es hier mit entarteter Physik zu tun, also relativistischer Physik. Für mich ist das genau das andere Ende des Entwicklungsspektrums eines Sterns. Die Grundvoraussetzung, um Asteroseismologie machen zu können, ist, dass ein Stern schwingt. Neutronensterne und Schwarze Löcher schwingen nicht.

Weil sie schon zu dicht sind und die Gravitation zu stark ist? Ja. Man kann auch nicht vorhersagen, wann ein Stern zu einer Supernova wird, aus der ja eventuell ein Schwarzes Loch entstehen kann. Nach unserem derzeitigen Stand des Wissens wüsste ich nicht, dass ein Stern in dem Zustand, kurz bevor er zur Supernova wird, schwingen würde. Wenn er schwingen würde, dann vielleicht. Wir kennen keinen Stern, der kurz bevor er zur Supernova wird, schwingt. Aber das kann ja noch kommen. Das Problem ist, man braucht immer einen Eichungspunkt. Das heißt, ich müsste einen Stern haben, der schwingt, und ich müsste den genau in dem Moment beobachten, kurz bevor er zur Supernova wird, damit ich dann vorhersagen kann, wann die anderen Sterne explodieren.

Wie schwierig ist es, eine Supernova zu beobachten? Eine Supernova passiert für uns völlig unvorhergesehen. Man sagt, okay, der Stern, das könnte sein. Aber wir reden von Zeitskalen, die natürlich über ein Menschenleben hinausgehen. Sterne sind teilweise Milliarden Jahre alt. Für einen Stern sind 1.000 Jahre nichts, für uns sind 1.000 Jahre viel. Daher ist es ein bisschen schwer. Wenn wir das Glück hätten, dass alles zusammen trifft, dann könnten wir vielleicht sagen, ja, in 5.000 Jahren explodiert der oder in 50 Jahren vielleicht. Aber das würde in astronomischen Maßstäben bedeuten, dass wir großes Glück haben, so etwas zu beobachten.

Der Stern Betelgeuze im Sternbild Orion ist ja ein sehr massereicher Stern und befindet sich bereits am Ende seines Lebens. Kann man bei so einem Stern überhaupt noch Pulse messen? Ja. Mit dem kanadischen MOST-Teleskop wurde Betelgeuze beobachtet, genauso mit dem österreichischen Satellitenprojekt BRITE, an dem auch ich mitgearbeitet habe. Betelgeuze ist definitiv ein schwingender Stern.

Schwingt der dann aufgrund seines Alters besonders schnell? Ja, aber wenn er am Ende seines Lebens ist, wird er nicht in meine Modelle hineinpassen. Die funktionieren nur für die jungen Sterne, nicht für die alten.

Das heißt, bei älteren Sternen kann die Pulsfrequenz wieder total unterschiedlich sein? So ist es, ja. Bei den Alten gibt es eine viel größere Bandbreite an Pulsmustern und viel mehr Theorien, die da hineinspielen.

Was vor dem Urknall war

Wie oft stellen Sie sich als Forscherin die Frage, was vor dem Urknall war? Das geht für mich schon in Richtung philosophischer Fragen. Man weiß nicht, was davor war. Man geht heute davon aus, dass es den Big Bang gab, dass das Universum so entstanden ist. Alle paar Jahre gibt es aber neue Erkenntnisse darüber, ob sich das Universum ausdehnt, sich schon wieder zusammenzeiht oder gleich bleibt. Es gibt ganz verrückte Theorien, wo wir zum Beispiel an der Innenseite einer Riesenkugel leben. Das stammt nicht nur von irgendwelchen hysterischen Leuten, sondern diese Aussagen sind wissenschaftlich fundiert.

Wie alles in der Wissenschaft hängt das von dem Fehlerbalken ab, muss ich sagen. Denn ich kann alles Mögliche behaupten, wenn ich dazu sage: So genau oder so sicher bin ich mir darüber. Wenn ich jetzt sage, die Temperatur von einem Stern ist 5000 Grad, aber es kann sein, dass ich mich um 5000 Grad irre, dann er null Grad oder 10.000 haben. Genauso ist es beim Alter des Universums.

Wie schätzen Sie die Fortschritte bei der Suche nach dem Alter des Universums sein? Wir gehen immer von unserem derzeitigen Verständnis der Physik aus, aber es gibt noch viele offene Fragen. Aber es gibt auch immer wieder neue Entdeckungen, die unser Denken revolutioniert haben. Wissenschaftler wollen immer größere Teleskope bauen, weil sie damit immer weiter in die Vergangenheit schauen können. Im Endeffekt wollen sie Licht einfangen, das vom Urknall stammt. Wir werden sehen, was immer größere Teleskope bringen.

Ist so ein Ereignis wie die partielle Sonnenfinsternis am 20. März für Sie faszinierend? Auf jeden Fall. Ich habe mir das in Innsbruck angeschaut. Es war ein unglaublich tolles Ereignis. Es ist halt nur eine partielle Sonnenfinsternis. Die totale Sonnenfinsternis von 1999 war schon beeindruckender. Auch für Kollegen vom Fach, die die Sonne studieren, ist das wahnsinnig spannend. Es gibt da Möglichkeiten, die Sonne zu vermessen, die nur in diesen wenigen Momenten möglich sind. Eine Sonnenfinsternis ist also sowohl als Wissenschaftlerin als auch als normaler Mensch ein tolles Ereignis, das man sich unbedingt anschauen sollte.