25.01.2024

Wie Sterne ruhiger werden

Gebremste Rotation von älteren Sternen mit Entwicklung des Magnetfelds gekoppelt.

Bisher ging man davon aus, dass das Magnetfeld von Sternen ihre eigene Rotation endlos verlangsamt. Neue Beobachtungen und ausgefeilte Methoden geben nun neue und unerwartete Einblicke in die magnetischen Geheimnisse eines Sterns: Die kosmischen Hotspots für die Suche nach außerirdischem Leben könnten Planeten um Sterne, die sich in ihrer Midlife-Crisis und darüber hinaus befinden, darstellen. Aufschluss über magnetische Phänomene und bewohnbare Umgebungen gibt eine Studie, die nun erschienen ist.


Abb.: Künstlerische Darstellung von 51 Pegasi und seinem gemessenen Magnetfeld.
Abb.: Künstlerische Darstellung von 51 Pegasi und seinem gemessenen Magnetfeld.
Quelle: AIP / J. Fohlmeister

Die Schweizer Astronomen Michael Mayor und Didier Queloz gaben 1995 die erste Entdeckung eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems bekannt, der einen fernen, sonnenähnlichen Stern mit der Bezeichnung 51 Pegasi umkreist. Seitdem wurden über 5500 Exoplaneten gefunden, die um andere Sterne in unserer Galaxie kreisen. 2019 erhielten die beiden Wissenschaftler für ihre Pionierarbeit gemeinsam den Nobelpreis für Physik. Diese Woche veröffentlichte ein internationales Team neue Beobachtungen von 51 Pegasi, die darauf hindeuten, dass die derzeitige magnetische Umgebung um den Stern besonders günstig für die Entwicklung von komplexem Leben sein könnte.

Sterne wie unsere Sonne entstehen mit hoher Eigenrotation, was ein starkes Magnetfeld verursacht, das heftig ausbrechen und ihre Planetensysteme mit geladenen Teilchen und schädlicher Strahlung bombardieren kann. Im Laufe von Jahrmilliarden verlangsamt sich die Rotation des Sterns allmählich, wenn sein Magnetfeld durch einen von seiner Oberfläche ausgehenden Wind schwächer wird – ein Prozess, der als magnetische Bremsung bezeichnet wird. Die langsamere Rotation erzeugt ein schwächeres Magnetfeld, und beide Eigenschaften nehmen gemeinsam ab, wobei sie sich gegenseitig bedingen. Bis vor kurzem ging die Astronomie davon aus, dass diese magnetische Bremsung unbegrenzt anhält, aber neue Beobachtungen haben begonnen, diese Annahme in Frage zu stellen.

Wir müssen die Bücher dahingehend neu schreiben, wie sich Rotation und Magnetismus in älteren Sternen wie der Sonne nach der Mitte ihrer Lebenszeit verändern“, sagt Teamleiter Travis Metcalfe, ein leitender Wissenschaftler der White Dwarf Research Corporation in Golden, Colorado, USA. „Unsere Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen für Sterne mit Planetensystemen und deren Aussichten auf die Entwicklung fortgeschrittener Zivilisationen.“ Klaus Strassmeier, Direktor am Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam (AIP) und Mitautor der Studie fügt hinzu: „Das liegt daran, dass eine geschwächte magnetische Bremsung stellare Winde drosselt und verheerende, eruptive Ereignisse damit weniger wahrscheinlich macht.“

Das Team aus den Vereinigten Staaten und Europa kombinierte Beobachtungen von 51 Pegasi vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA mit hochmodernen Messungen seines Magnetfeldes durch das Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) am Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona. Obwohl der Exoplanet, der 51 Pegasi umkreist, von der Erde aus gesehen nicht vor seinem Mutterstern vorbeizieht, zeigt der Stern selbst in den TESS-Beobachtungen subtile Helligkeitsschwankungen, die zur Messung des Radius, der Masse und des Alters des Sterns verwendet werden können – eine Technik, die als Asteroseismologie bekannt ist. Unterdessen bewirkt das Magnetfeld des Sterns im Sternenlicht eine kleine Polarisation, sodass PEPSI am LBT eine magnetische Karte der Sternoberfläche erstellen kann, während sich der Stern dreht – eine Technik namens Zeeman-Doppler-Bildgebung. Mit diesen Messungen konnte das Team die aktuelle magnetische Umgebung des Sterns bewerten.

Frühere Beobachtungen des NASA-Weltraumteleskops Kepler deuteten bereits darauf hin, dass die magnetische Abbremsung im Laufe des Sonnenalters deutlich schwächer werden könnte, wodurch die enge Beziehung zwischen Rotation und Magnetismus bei älteren Sternen aufgehoben würde. Die Beweise für diese Veränderung waren jedoch indirekt und beruhten auf Messungen der Rotationsrate von Sternen mit einer großen Altersspanne. Es war klar, dass die Rotation irgendwann in der Nähe des Alters der Sonne (4,5 Milliarden Jahre) aufhörte, sich zu verlangsamen und dass eine geschwächte magnetische Bremsung in älteren Sternen dieses Verhalten reproduzieren könnte. Allerdings können nur direkte Messungen des Magnetfelds eines Sterns die zugrundeliegenden Ursachen ermitteln und die von Kepler beobachteten Objekte waren zu schwach für LBT-Beobachtungen. Die TESS-Mission begann 2018 mit der Sammlung von Messungen – ähnlich wie bei Kepler, jedoch für die nächstgelegenen und hellsten Sterne am Himmel, darunter 51 Pegasi.

In den letzten Jahren hat das Team begonnen, mit PEPSI am LBT die Magnetfelder mehrerer TESS-Ziele zu messen und so nach und nach ein neues Verständnis dafür zu entwickeln, wie sich der Magnetismus in Sternen wie der Sonne verändert, wenn sie älter werden. Die Beobachtungen ergaben, dass sich die magnetische Bremswirkung bei Sternen, die etwas jünger als die Sonne sind, plötzlich ändert. Zu diesem Zeitpunkt wird sie mehr als zehnmal schwächer und nimmt mit zunehmendem Alter der Sterne weiter ab. Das Team führt diese Veränderungen auf eine unerwartete Verschiebung der Stärke und Komplexität des Magnetfelds sowie den Einfluss dieser Verschiebung auf den Sternwind zurück. Die neu gemessenen Eigenschaften von 51 Pegasi zeigen, dass er – genau wie unsere eigene Sonne – diesen Übergang zu einer geschwächten magnetischen Bremsung bereits durchlaufen hat.

Es ist sehr erfreulich, dass das LBT und PEPSI eine neue Perspektive auf dieses Planetensystem aufzeigen konnten, das eine so zentrale Rolle in der Exoplanetenastronomie spielte“, sagt Klaus Strassmeier, leitender Forscher des PEPSI-Spektrographen. „Diese Forschung ist ein wichtiger Schritt auf der Suche nach Leben in unserer Galaxie.“

In unserem eigenen Sonnensystem fand der Übergang des Lebens von den Ozeanen auf das Land vor mehreren hundert Millionen Jahren statt und fiel mit dem Zeitpunkt zusammen, an dem die magnetische Bremswirkung der Sonne nachließ. Junge Sterne bombardieren ihre Planeten mit Strahlung und geladenen Teilchen, die der Entwicklung von komplexem Leben entgegenstehen. Ältere Sterne scheinen jedoch ein stabileres Umfeld zu bieten. Travis Metcalfe zufolge deuten die Ergebnisse des Teams darauf hin, dass die besten Orte für die Suche nach Leben außerhalb unseres Sonnensystems auf Planeten um Sterne mittleren und höheren Alters liegen könnten.

AIP / DE


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