Sternphysik: Verschollen im Roten Riesen
Einerseits sagt die Urknalltheorie voraus, welche Elemente in welchen Mengen im frühen Universum entstanden, andererseits haben Astronomen eine umfassende Vorstellung von den in Sternen erzeugten Elementen. Bei einem bestimmten Heliumisotop sind die Theorien aber nicht zu vereinbaren, denn im Universum gibt es zu wenig davon, um beiden zu genügen.
© A. Dupree (CfA), R. Gilliland (STScI), FOC, HST, Nasa (Ausschnitt)
Der Name Roter Riese erinnert eher an eine Märchenfigur als an ein kosmisches Objekt – ist aber trotzdem letzteres. Und als genau so ein rot glühender Gigant wird auch einmal unsere Sonne enden. Im Moment befindet sie sich allerdings noch in einer stabilen Phase ihres Lebens und leuchtet gleißend hell vom Himmel. Zu verdanken ist das einem effektiven Fusionsreaktor in ihrem Inneren, in dem stetig Wasserstoff zu Helium verschmilzt.
Dabei entsteht als Nebenprodukt auch das Isotop Helium-3, dessen Kern sich aus zwei Protonen und einem Neutron zusammensetzt. In Sternen mit mehr als zwei Sonnenmassen passiert dies ebenfalls, doch durch Temperaturunterschiede verursachte Strömungen schleusen das produzierte Helium-3 in das heiße Zentrum, wo es zerstört wird. Diese als Konvektion bezeichneten Vorgänge finden im Inneren massearmer Gestirne nicht statt, so dass sich das Isotop in einer breiten Region um den Kern anreichern kann.
Ist der Wasserstoffvorrat im Zentrum allerdings verbraucht, so ändern sich die ruhigen Verhältnisse. Der Stern bläht sich um ein Vielfaches auf, seine Oberfläche kühlt ab – ein Roter Riese entsteht. Dessen äußeren Schichten werden turbulent, starke Strömungen treten auf. Die oberen Schichten des Sterns dringen nun tief in den Stern ein. Inzwischen hat sich um den Kern restlicher Wasserstoff in einer kugelförmigen Schale angesammelt und erneut Kernfusion gezündet. Diese Hülle dehnt sich aus und drängt die einfallenden oberen Schichten zurück.
Dabei wirbeln sie die Gasmassen des Sterns durcheinander und sorgen so dafür, dass Helium-3 im gesamten Stern verteilt wird. An der Oberfläche sollte der Heliumgehalt nun etwa das Achtfache des anfänglichen Wertes betragen. Starke Sternenwinde treiben es fortan mitsamt der äußeren Gasschichten ins Weltall hinaus. Somit sollte eine beträchtliche Menge an Helium-3 im Umfeld von Roten Riesen zu finden sein – so die Überlegung.
Doch bei ihren Beobachtungen fanden die Astronomen überall in unserer Galaxis etwa dieselbe relative Heliumhäufigkeit, egal auf welche Regionen sie ihre Teleskope richteten. Und diese stimmte zu allem Überfluss auch noch mit der kurz nach dem Urknall produzierten Menge an Helium-3 überein. War die stellare Evolutionstheorie also fehlerhaft?
Dieser glauben Wissenschaftler um Peter Eggleton vom Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien tatsächlich. Mit Hilfe von dreidimensionalen Computersimulationen, die sie auf einem der weltweit schnellsten Rechner durchführten, modellierten sie die Gasbewegungen in einem Roten Riesen.
Das Modell gab zu erkennen, dass eine Turbulenz in der bislang als stabil angenommen Umgebung des Kerns einsetzt, noch bevor es zu einer globalen Vermischung mit Helium-3 kommen kann. Vor der Schale, in der weiterhin Wasserstoff zu Helium verschmilzt, liegt eine Schicht, in der Helium-3 umgewandelt wird – hauptsächlich in gewöhnliches Helium-4 und Wasserstoff. Durch die zusätzlichen Verwirbelungen gelangt in früheren Modellen unversehrt gebliebenes Helium-3 in diese Region und wird dort zerstört.
Auch, wenn sich die turbulente Region schließlich mit der konvektiven Schicht vereinigt und Helium-3 an die Oberfläche gelangt, sollten die in den interstellaren Raum entweichenden Mengen gering sein. Urknall- und Sternentheorie wären also vereint. Und noch eine gute Nachricht: Bevor unsere Sonne zu einem Roten Riesen wird, vergehen noch mindestens vier, vielleicht sogar fünf Milliarden Jahre. Also kein Grund sich Sorgen zu machen.
Dabei entsteht als Nebenprodukt auch das Isotop Helium-3, dessen Kern sich aus zwei Protonen und einem Neutron zusammensetzt. In Sternen mit mehr als zwei Sonnenmassen passiert dies ebenfalls, doch durch Temperaturunterschiede verursachte Strömungen schleusen das produzierte Helium-3 in das heiße Zentrum, wo es zerstört wird. Diese als Konvektion bezeichneten Vorgänge finden im Inneren massearmer Gestirne nicht statt, so dass sich das Isotop in einer breiten Region um den Kern anreichern kann.
Ist der Wasserstoffvorrat im Zentrum allerdings verbraucht, so ändern sich die ruhigen Verhältnisse. Der Stern bläht sich um ein Vielfaches auf, seine Oberfläche kühlt ab – ein Roter Riese entsteht. Dessen äußeren Schichten werden turbulent, starke Strömungen treten auf. Die oberen Schichten des Sterns dringen nun tief in den Stern ein. Inzwischen hat sich um den Kern restlicher Wasserstoff in einer kugelförmigen Schale angesammelt und erneut Kernfusion gezündet. Diese Hülle dehnt sich aus und drängt die einfallenden oberen Schichten zurück.
Dabei wirbeln sie die Gasmassen des Sterns durcheinander und sorgen so dafür, dass Helium-3 im gesamten Stern verteilt wird. An der Oberfläche sollte der Heliumgehalt nun etwa das Achtfache des anfänglichen Wertes betragen. Starke Sternenwinde treiben es fortan mitsamt der äußeren Gasschichten ins Weltall hinaus. Somit sollte eine beträchtliche Menge an Helium-3 im Umfeld von Roten Riesen zu finden sein – so die Überlegung.
Doch bei ihren Beobachtungen fanden die Astronomen überall in unserer Galaxis etwa dieselbe relative Heliumhäufigkeit, egal auf welche Regionen sie ihre Teleskope richteten. Und diese stimmte zu allem Überfluss auch noch mit der kurz nach dem Urknall produzierten Menge an Helium-3 überein. War die stellare Evolutionstheorie also fehlerhaft?
Dieser glauben Wissenschaftler um Peter Eggleton vom Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien tatsächlich. Mit Hilfe von dreidimensionalen Computersimulationen, die sie auf einem der weltweit schnellsten Rechner durchführten, modellierten sie die Gasbewegungen in einem Roten Riesen.
Das Modell gab zu erkennen, dass eine Turbulenz in der bislang als stabil angenommen Umgebung des Kerns einsetzt, noch bevor es zu einer globalen Vermischung mit Helium-3 kommen kann. Vor der Schale, in der weiterhin Wasserstoff zu Helium verschmilzt, liegt eine Schicht, in der Helium-3 umgewandelt wird – hauptsächlich in gewöhnliches Helium-4 und Wasserstoff. Durch die zusätzlichen Verwirbelungen gelangt in früheren Modellen unversehrt gebliebenes Helium-3 in diese Region und wird dort zerstört.
Auch, wenn sich die turbulente Region schließlich mit der konvektiven Schicht vereinigt und Helium-3 an die Oberfläche gelangt, sollten die in den interstellaren Raum entweichenden Mengen gering sein. Urknall- und Sternentheorie wären also vereint. Und noch eine gute Nachricht: Bevor unsere Sonne zu einem Roten Riesen wird, vergehen noch mindestens vier, vielleicht sogar fünf Milliarden Jahre. Also kein Grund sich Sorgen zu machen.
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