Stellar surf ist da: Monsterwellen so groß wie drei Sonnen stürzen auf einen kolossalen Stern.

10. August 2023

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Korrekturgelesen von Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Ein extremes Sternensystem gibt dem Ausdruck "Surf's Up" eine neue Bedeutung.

Das Sternensystem hat Forscher fasziniert, weil es der dramatischste "Herzschlagstern" ist, der je aufgezeichnet wurde. Neue Modelle haben nun enthüllt, dass titanische Wellen, die durch Gezeiten erzeugt werden, wiederholt auf einem der Sterne im System brechen - dies ist das erste Mal, dass dieses Phänomen auf einem Stern beobachtet wurde.

Herzschlagsterne sind Sterne in engen Paaren, die periodisch in ihrer Helligkeit pulsiert, wie der Rhythmus eines schlagenden Herzens auf einem EKG-Gerät. Die Sterne in Herzschlagsystemen bewegen sich in elongierten ovalen Umlaufbahnen. Immer wenn sie sich nahe kommen, erzeugen die Schwerkraft der Sterne Gezeiten - ähnlich wie der Mond Gezeiten auf der Erde erzeugt. Die Gezeiten strecken und verzerren die Formen der Sterne und verändern dabei die Menge des sichtbaren Sternenlichts, wenn sich ihre breiten oder schmalen Seiten abwechselnd der Erde zuwenden.

Eine neue Studie erklärt, warum die Helligkeitsschwankungen von einem besonders extremen Herzschlagsternsystem etwa 200 Mal größer sind als bei typischen Herzschlagsternen. Die Ursache: gigantische Wellen, die sich auf dem größeren Stern bilden, wenn der kleinere Begleitstern regelmäßig nah vorbeifliegt. Diese Gezeitenwellen erreichen laut der Studie eine derartige Höhe und Geschwindigkeit, dass sie wie Ozeanwellen brechen und auf der Oberfläche des großen Sterns aufschlagen.

Das System, das von Astronomen als "Herzensbrecherstern" bezeichnet wird, bietet einen beispiellosen Einblick in die Interaktion massereicher Sterne.

"Jede Kollision der mächtigen Gezeitenwellen des Sterns setzt genug Energie frei, um unseren gesamten Planeten mehrere hundert Male zu zerstören", sagt Morgan MacLeod, ein Postdoktorand in Theoretischer Astrophysik am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) und Autor einer in Nature Astronomy veröffentlichten Studie, in der die Ergebnisse dargelegt werden. "Das sind wirklich große Wellen."

Und doch, so Professor Abraham (Avi) Loeb, der Berater von MacLeod, der Direktor des Instituts für Theorie und Berechnung am CfA und Autor des anderen Artikels, "Sternenwellen sind genauso schön wie die an den Stränden unserer Ozeane".

Herzschlagsterne wurden erstmals entdeckt, als das Weltraumteleskop Kepler der NASA nach ihren charakteristischen, normalerweise subtilen Helligkeitsschwankungen bei Sternen suchte.

Der extreme Herzensbrecherstern ist jedoch alles andere als subtil. Der größere Stern im System ist fast 35 Mal so massereich wie die Sonne und wird zusammen mit seinem kleineren Begleitstern offiziell als MACHO 80.7443.1718 bezeichnet - nicht wegen irgendwelcher stellarer Kraft, sondern weil die Helligkeitsschwankungen des Systems in den 1990er Jahren erstmals vom MACHO-Projekt aufgezeichnet wurden, das nach Anzeichen für Dunkle Materie in unserer Galaxie suchte.

Die meisten Herzschlagsterne variieren in ihrer Helligkeit nur um etwa 0,1%, aber MACHO 80.7443.1718 sticht den Astronomen durch seine noch nie dagewesenen Helligkeitsschwankungen von 20% ins Auge. "Wir kennen keinen anderen Herzschlagstern, der so stark variiert", sagt MacLeod.

Um das Rätsel zu lösen, erstellte MacLeod ein Computermodell von MACHO 80.7443.1718. Sein Modell zeigte, wie die gravitative Wechselwirkung der beiden Sterne massive Gezeiten im größeren Stern erzeugt. Die resultierenden Gezeitenwellen erreichen etwa ein Fünftel des Radius des Riesensterns, was etwa Wellen entspricht, die so hoch sind wie drei aufeinandergestapelte Sonnen oder etwa 2,7 Millionen Meilen.

Die Simulationen zeigen, dass die massiven Wellen zunächst wie ruhige und organisierte Schwellen wie Wasserwellen im Ozean sind, bevor sie sich über sich selbst krümmen und brechen. Wie Strandbesucher wissen, erzeugen kraftvolle, herabstürzende Ozeanwellen Gischt und Blasen und hinterlassen "ein großes schäumendes Durcheinander", wo einst eine glatte Welle war, sagt MacLeod.

Die gewaltige Energie, die bei den Brechungsprozessen der Wellen auf MACHO 80.7443.1718 freigesetzt wird, hat zwei Effekte, wie das Modell von MacLeod zeigt. Es lässt die Oberfläche des Sterns immer schneller rotieren und schleudert Sternengas nach außen, um eine rotierende und leuchtende stellare Atmosphäre zu bilden.

About once a month, the two stars pass each other and a fresh monster wave barrels across the heartbreak star's surface. Cumulatively, this agitation has caused the big star in MACHO 80.7443.1718 to bulge at its equator by about 50% more than at its poles. And, with each new passing wave, more material is flung outward, like 'spinning pizza crust flinging off chunks of cheese and sauce' says MacLeod. The signature glow of this atmosphere was one of the key clues that waves were breaking on the star's surface, according to MacLeod.

As unprecedented as MACHO 80.7443.1718 is, it is unlikely to be unique. Of the nearly 1,000 heartbeat stars discovered so far, about 20 of them display large brightness fluctuations approaching those of the system simulated by MacLeod and Loeb. 'This heartbreak star could just be the first of a growing class of astronomical objects,' MacLeod says. 'We're already planning a search for more heartbreak stars, looking for the glowing atmospheres flung off by their breaking waves.'

All things considered, MacLeod says we are lucky to have caught the star in this phase, 'We are watching a brief and transformative moment in a long stellar lifetime.' And by watching the colossal surf roll across a stellar surface, astronomers hope to gain an understanding of how close interactions shape the evolution of stellar pairs.

Journal information: Nature Astronomy

Provided by Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics