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Sternentwicklung : Roter Riese ist nicht gleich Roter Riese

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Das Zentrum eines roten Riesen im Computermodell Bild: LLNL, Berkeley

Der Entwicklungsweg zum Heliumblitz: Astronomen können den Übergang zur Heliumfusion im Inneren eines Roten Riesen am Schwingen des Sterns erkennen.

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          Als Rote Riesen bezeichnen die Astronomen sonnenähnliche Sterne in vorgerücktem Alter. Während dieser Entwicklungsphase steigen Temperatur und Druck im Zentrum so weit an, dass schließlich außer dem Wasserstoff auch Helium als weiterer Kernbrennstoff genutzt werden kann. Bislang konnten die Forscher jedoch nicht erkennen, ob ein Roter Riese bereits Helium "verbrennt" oder nicht. Kontinuierliche Beobachtungen mit dem Kepler-Satelliten über einen längeren Zeitraum haben nun eine Möglichkeit eröffnet, diese Unterscheidung zu treffen.

          Die längste Zeit ihres Lebens wandeln Sterne in ihrer Kernregion bei Temperaturen oberhalb von etwa zehn Millionen Grad Wasserstoff in Helium um. Dabei sinkt das schwerere Helium allmählich zum Zentrum, wo es sich sammelt, langsam verdichtet und dabei immer weiter aufheizt. Wenn der verwertbare Wasserstoff aufgebraucht ist, reicht die Temperatur des Heliumkerns bereits dazu aus, die Wasserstofffusion auch außerhalb der Kernregion in Gang zu halten. Dadurch geht jedoch die empfindliche Balance zwischen der Gravitationslast und dem nach außen gerichteten Strahlungsdruck verloren, und der Stern bläht sich auf. Im gleichen Maße verteilt sich der Energiestrom aus dem Innern auf eine größere Oberfläche, so dass diese auskühlt und den Riesenstern rötlich erscheinen lässt. Der zuvor sonnenähnliche Stern ist zu einem Roten Riesen geworden.

          Mit Heliumblitz

          Irgendwann überschreiten Temperatur und Druck im weiter wachsenden Heliumkern jene Werte, oberhalb deren jeweils drei Heliumatome zu einem Kohlenstoffatom verschmelzen können. Bei massearmen Sternen findet dieser Übergang erst in einem fortgeschrittenen Stadium der Roter-Riese-Phase statt, wenn der Heliumkern schon maximal geschrumpft ist und den Zustand der Entartung erreicht hat, die Heliumatome also gleichsam geknackt sind und die freien Elektronen ein weiteres Schrumpfen verhindern. Dadurch zündet die Heliumfusion schlagartig - ein Ereignis, das von den Astronomen als Heliumblitz bezeichnet wird. Bei massereicheren Sternen, so die Modellrechnungen zur Sternentwicklung, setzt diese Heliumfusion sanfter ein.

          Rein äußerlich zeigen die einzelnen Stadien der Roter-Riese-Phase keine erkennbaren Unterschiede, so dass eine Überprüfung der aus der Theorie abgeleiteten Entwicklungswege bislang als ausgeschlossen erschien. In der Zeitschrift "Nature" berichtet nun eine internationale Forschergruppe unter Leitung von Timothy Bending vom Astronomischen Institut der Universität Sydney über Beobachtungen mit dem Kepler-Satelliten, die erstmals eine klare Differenzierung der unterschiedlichen Entwicklungen ermöglichen.

          Was die Helligkeitskurven verraten

          Der Satellit, der im März 2009 gestartet wurde, überwacht kontinuierlich ein Himmelsareal von etwa 105 Quadratgrad (entsprechend rund 400 Vollmondflächen) in Blickrichtung zum Sternbild Stier. Dabei werden die Helligkeiten von mehr als 100 000 Sternen registriert. Mit den Daten wollen die Forscher zum einen geringfügige Schwankungen aufgrund vorbeiziehender Exoplaneten aufdecken und zum anderen astroseismologische Untersuchungen ausführen. Die anhaltenden Strömungen heißer Gase regen akustische Wellen an, die sich wie Erdbebenwellen durch das Innere des Sterns ausbreiten. Unter bestimmten Voraussetzungen können sie sich zu sogenannten stehenden Wellen entwickeln, die dann in charakteristischen Frequenzabständen auftreten und die Sternhelligkeit in zahlreichen unterschiedlichen Schwingungsperioden flackern lassen.

          Die Auswertung der Helligkeitskurven von bislang rund 400 Roten Riesen ergab eine deutliche Zweiteilung der typischen Abstände der Schwingungsperioden. Bei 143 Objekten (36 Prozent) lagen sie im Bereich zwischen 50 und 70 Sekunden, während die Perioden beim Rest jeweils zwischen zwei und fünf Minuten differierten. Ein Vergleich mit entsprechenden Modellrechnungen zeigt, dass dieser Unterschied etwas über den Materiezustand des ebenfalls schwingenden Heliumkerns im Zentrum der Roten Riesen verrät. Treffen die seismischen Wellen im Zentrum auf den Heliumkern, so werden sie unter bestimmten Voraussetzungen in charakteristischer Weise verändert - und mit ihnen die Perioden der Helligkeitsschwankungen an der Sternoberfläche.

          Diese Schwingungskopplung im Innern wird durch Größe, Dichte und Temperatur des Heliumkerns bestimmt. Solange der Heliumkern noch nicht gezündet hat, lassen die Rechnungen Periodenabstände von etwa einer Minute erwarten. Ein aktiver Heliumkern dagegen sorgt aufgrund seiner höheren Temperatur und Dichte für eine Vergrößerung der Periodenabstände auf etwa zwei bis fünf Minuten. Darüber hinaus bestätigen die Beobachtungen auch die theoretische Obergrenze für das Auftreten eines Heliumblitzes, die bei etwa 1,8 bis 2 Sonnenmassen liegt. Unsere Sonne wird demnach während ihrer Roter-Riese-Phase in rund fünf Milliarden Jahren ebenfalls einen solchen Heliumblitz erfahren.

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