Zwei Sterne verschmolzen zu einem massiven Weißen Zwerg

Ein ungewöhnlicher massiver weißer Zwergstern mit einer bizarren kohlenstoffreichen Atmosphäre könnte aus zwei Weißen Zwergen bestehen, die nach Angaben eines internationalen Teams von Astronomen der Universität von Warwick miteinander verschmolzen sind und damit der Zerstörung nur knapp entkamen.

Der 150 Lichtjahre entfernte ultra-massive Weiße Zwerg hat eine atmosphärische Zusammensetzung, die noch nie zuvor gesehen wurde. Es ist das erste Mal, dass ein Weißer Zwerg, der aus zwei miteinander verschmelzenden Sternen hervorgegangen ist, anhand seiner atmosphärischen Zusammensetzung identifiziert wurde.

Die Entdeckung, die am 2. März in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurde, könnte neue Fragen über die Entwicklung massiver weißer Zwergsterne und über die Anzahl der Supernovae in unserer Galaxis aufwerfen.

Dieser Stern mit der Bezeichnung WDJ0551+4135 wurde bei der Untersuchung von Daten des Gaia-Teleskops der Europäischen Weltraumorganisation identifiziert. Die Astronomen führten anschließend eine Spektroskopie mit dem William-Herschel-Teleskop durch, wobei sie sich auf die als besonders massiv identifizierten Weißen Zwerge konzentrierten - eine Leistung, die durch die Gaia-Mission möglich wurde. Durch das vom Stern emittierte Licht konnten die Astronomen die chemische Zusammensetzung seiner Atmosphäre identifizieren und stellten fest, dass ein ungewöhnlich hoher Anteil an Kohlenstoff vorhanden ist.

Hauptautor der Studie, Dr. Mark Hollands von der Abteilung für Physik der Universität von Warwick sagte: „Dieser Stern zeichnete sich als etwas aus, was wir noch nie zuvor gesehen haben. Man würde erwarten eine äußere Schicht von Wasserstoff zu sehen, manchmal mit Helium vermischt, oder einfach nur eine Mischung aus Helium und Kohlenstoff. Man erwartete nicht, diese Kombination von Wasserstoff und Kohlenstoff zur gleichen Zeit zu sehen, da es eine dicke Schicht von Helium dazwischen geben sollte, die das verhindert. Als wir dies sahen, machte es keinen Sinn.“

Um das Rätsel zu lösen, leisteten die Astronomen Detektivarbeit, um den wahren Ursprung des Sterns aufzudecken.

Weiße Zwerge sind die Überreste von sonnenähnlichen Sternen, die in ihrem Inneren ihren ganzen Treibstoff verbraucht haben und ihre äußeren Schichten verloren haben. Die meisten sind relativ arm an Masse und haben etwa die 0,6-fache Masse unserer Sonne. Aber dieser Weiße Zwerg hat die 1,14-fache Sonnenmasse und ist damit fast doppelt so schwer, wie ein durchschnittlicher Weißer Zwerg. Und obwohl er schwerer ist als unsere Sonne, hat er sich auf zwei Drittel des Erddurchmessers verdichtet.

Auch das Alter des Weißen Zwergs ist ein Hinweis. Ältere Sterne umkreisen die Milchstraße schneller als jüngere, und dieses Objekt bewegt sich schneller als 99% der anderen nahen Weißen Zwerge mit annähernd gleichem Alter bestimmt aus der Abkühlung, was darauf hindeutet, dass dieser Stern älter ist als er aussieht.

Dr. Hollands fügte hinzu: „Wir haben eine Zusammensetzung, die wir nicht durch die normale Sternentwicklung erklären können; eine Masse, die doppelt so groß ist wie die Durchschnittsmasse eines Weißen Zwergs und ein kinematisches Alter, das älter ist als das aus der Abkühlung abgeleitete. Wir sind uns ziemlich sicher zu wissen, wie aus einem Stern ein Weißer Zwerg wird, und das passt hier nicht. Die einzige Möglichkeit das Objekt zu erklären ist, wenn es durch die Verschmelzung von zwei Weißen Zwergen entstanden ist.

Die Theorie besagt, dass, wenn sich ein Stern in einem Doppelsternsystem am Ende seiner Lebensdauer ausdehnt, er seinen Partner einhüllen wird und dessen Umlaufbahn näher an sich heranzieht, wenn der erste Stern schrumpft. Dasselbe geschieht, wenn sich der andere Stern ausdehnt. Über Milliarden von Jahren wird die Gravitationswellenemission die Umlaufbahn weiter schrumpfen lassen, so dass die Sterne miteinander verschmelzen.

Zwar wurden Verschmelzungen von Weißen Zwerge vorhergesagt, doch diese wäre besonders ungewöhnlich. Die meisten Verschmelzungen in unserer Galaxis werden zwischen Sternen mit unterschiedlichen Massen stattfinden, während diese Verschmelzung zwischen zwei ähnlich massereichen Sternen stattgefunden zu haben scheint. Es gibt auch eine Grenze, wie groß der entstehende Weiße Zwerg sein kann: Bei mehr als 1,4 Sonnenmassen wird angenommen, dass er in einer Supernova explodieren würde, obwohl es möglich ist, dass diese Explosionen auch bei etwas geringerer Masse auftreten können, so dass dieser Stern wertvoll ist, weil er uns zeigt, wie massereich ein Weißer Zwerg werden und trotzdem überleben kann.

Da der Verschmelzungsprozess die Abkühlung des Sterns wieder in Gang setzt, ist es schwierig zu bestimmen, wie alt der Stern ist. Der Weiße Zwerg verschmolz wahrscheinlich vor etwa 1,3 Milliarden Jahren, aber die beiden ursprünglichen Weißen Zwerge könnten schon viele Milliarden Jahre zuvor existiert haben.

Es ist einer von nur einer Handvoll verschmolzener Weißer Zwerge, die bisher identifiziert wurden und der einzige über seine Zusammensetzung.

Dr. Hollands fügte hinzu: „Es gibt nicht so viele Weiße Zwerge, die so massiv sind, obwohl es mehr gibt als man erwarten würde, was darauf hindeutet, dass vermutlich einige von ihnen durch Verschmelzung entstanden sind.

„In Zukunft könnten wir vielleicht eine Technik namens Asteroseismologie verwenden, um die Kernzusammensetzung des Weißen Zwergs aus seinen stellaren Pulsen zu bestimmen, was eine unabhängige Methode wäre, zu bestätigen das dieser Stern durch Verschmelzung entstandenen ist."

„Der vielleicht aufregendste Aspekt dieses Sterns ist, dass er es nicht schaffte als Supernova zu explodieren – diese gigantischen Explosionen sind wirklich wichtig für die Kartierung der Struktur des Universums, da sie über sehr große Entfernungen hinweg entdeckt werden können. Es bleibt jedoch eine große Ungewissheit darüber, welche Art von Sternsystemen es bis zum Supernova-Stadium schaffen. So seltsam es klingen mag, die Messung der Eigenschaften dieser 'gescheiterten' Supernova und zukünftiger Doppelgänger, sagt uns eine Menge über die Wege zur thermonuklearen Selbstvernichtung.“