28.02.2008

Wie entstehen massereiche Sterne?

Zwei amerikanische Forscher haben analysiert, unter welchen Bedingungen massereiche Sterne entstehen - und warum sie so selten sind.

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Zwei amerikanische Forscher haben analysiert, unter welchen Bedingungen massereiche Sterne entstehen - und warum sie so selten sind.

Sterne mit großer Masse spielen in der Astronomie eine wichtige Rolle: Oftmals sind sie aufgrund ihrer großen Helligkeit die einzigen individuellen Objekte, die sich in einer fernen Galaxie ausmachen lassen. Zwei amerikanische Forscher haben nun analysiert, unter welchen Bedingungen solche Sterne, die mehr als die hundertfache Masse der Sonne enthalten können, entstehen – und warum sie so selten sind. Wenn die Dichte in einer Gaswolke einen bestimmten Grenzwert überschreitet, schreiben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature“, kann die Geburt vieler kleiner Sterne das Gas aufheizen, so eine weitere Fragmentierung verhindern und die Entstehung massereicher Sterne einleiten.

Sterne entstehen durch den Kollaps großer Gaswolken. Normalerweise ist die Kühlung einer solchen Gaswolke durch Strahlung effektiv genug, um größere Temperaturunterschiede innerhalb der Wolke zu unterbinden. In einer solchen isothermen Wolke entstehen durch Fragmentation viele Sterne mit Massen von bis zu einer Sonnenmasse.

„Die Aufheizung der Wolke durch diese Sterne geringer Masse kann die weitere Fragmentation verhindern und so die Entstehung massereicher Sterne auslösen“, schreiben Mark Krumholz von der Princeton University und Christopher McKee von der University of California in Berkeley. „Bislang war jedoch unklar, welche Bedingungen in einer Wolke herrschen müssen, damit dieser Prozess eintritt – und damit auch, wo in einer Galaxie massereiche Sterne entstehen können.“

Abb.: Mithilfe von Simulationen haben Mark Krumholz und Christopher McKee die Entstehung eines massereichen Stern in einer Gaswolke untersucht. (Quelle: Mark Krumholz)

Den beiden Astrophysikern gelang es nun zu zeigen, dass in unserer Milchstraße Gaswolken eine Säulendichte von mindestens 0,7 bis 1,5 g/cm2 aufweisen müssen, damit massereiche Sterne im Bereich von 10 bis 200 Sonnenmassen entstehen können. Der Grenzwert hängt dabei von der jeweiligen Umgebung ab: Ein niedrigerer Anteil an schweren Elementen führt zu einem niedrigeren, eine höhere Temperatur der Hintergrundstrahlung zu einem höheren Grenzwert für die Säulendichte. Damit erklärt sich, so Krumholz und McKee, auch unmittelbar, warum es nur so wenige massereiche Sterne gibt: Selbst in Sternenstehungsregionen wird nur selten eine so hohe Säulendichte erreicht.

Die Abhängigkeit der Entstehung massereicher Sterne von den Umgebungsbedingungen liefert auch eine Erklärung für einen anderen Beobachtungsbefund der extragalaktischen Astronomie. Während nämlich die Wasserstoff-alpha-Emission galaktischer Scheiben eine scharfe Kante zeigt, nimmt die UV-Emission gleichmäßig mit dem Radius ab und zeigt keinen solchen scharfen Abbruch. Dynamisch lässt sich nun verstehen, wie Krumholz und McKee erläutern, dass es außerhalb eines definierten Radius vom jeweiligen Galaxienzentrum nur noch kleinere Molekülwolken gibt, deren Dichte nicht mehr für die Entstehung massereicher Sterne ausreicht. Wenn aber keine Sterne mit Massen größer als 15 Sonnenmassen entstehen, reduziert dies die UV-Strahlung um etwa 50 Prozent, die Wasserstoff-alpha-Strahlung jedoch um über 99 Prozent.

Die beiden Forscher schlagen nun vor, ihr Szenario durch die Beobachtung von jungen Sternhaufen mit massereichen Sternen in anderen Galaxien zu überprüfen. Die Dichte in solchen Haufen sollte in charakteristischer Weise von der Häufigkeit der schweren Elemente und der Rotverschiebung abhängen.

Rainer Kayser

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