Gesundheit: Monstergeburt im Nebel

Es gibt im Weltall wahre Kolosse – Sterne, die so groß sind, dass sie die Sonne wie eine mickrige Murmel erscheinen lassen. Dabei ist unser Zentralgestirn verglichen mit der Erde bereits riesig: nämlich 340000-mal so schwer und 120-mal so dick. Ein berühmter Monsterstern findet sich im Sternbild Orion. Er heißt „Beteigeuze“ und hat den 280fachen Durchmesser sowie die zwanzigfache Masse der Sonne. Stünde er dort, wo sie sich jetzt befindet, dann wäre seine Oberfläche irgendwo in der Nähe der Mars-Umlaufbahn, die Erdbahn läge tief in seinem Innern.

Riesensterne wie der Beteigeuze geben den Astronomen viele Rätsel auf. Eines davon lautet: Wie entstehen diese Giganten eigentlich? Bei relativ leichten Sternen – solchen wie unserer Sonne – haben die Forscher ziemlich genaue Vorstellungen: Am Anfang ist eine gewaltige Gas- und Staubwolke, die sich langsam um sich selbst dreht.

Die Wolke stürzt unter ihrem eigenen Gewicht allmählich in sich zusammen und flacht ab. Dabei wird das in ihr enthaltene Material immer stärker zusammengedrückt. Im Zentrum der Wolke bildet sich eine dichte und heiße Gaskugel, die mit großer Geschwindigkeit rotiert. Mit ihrer Schwerkraft zieht die Gaskugel immer noch weiteres Material aus der Umgebung an.

Im Lauf der Zeit stürzt mehr und mehr Gas in die Kugel hinein, wodurch sie schwerer und heißer wird; irgendwann sind die Dichte und die Temperatur in ihrem Zentrum so hoch, dass dort die Kernfusion einsetzt. Es entstehen gewaltige Wärme- und Lichtmengen, die nach außen abstrahlen und die Materie in der Umgebung fortblasen.

Das Problem ist nun, dass die Größe des entstehenden Sterns auf diesem Weg offensichtlich begrenzt ist. Denn in dem Moment, wo das Fusionsfeuer im Innern des Sterns zu lodern beginnt, kann er nicht mehr schwerer werden. Der nach außen gerichtete Strahlungsdruck verhindert, dass weiteres Material auf seine Oberfläche fällt.

„Bei Gestirnen, die mehr als viermal so schwer wie die Sonne sind, haben wir keine rechte Erklärung, wie sie zu ihrer Masse kommen“, sagt Hans Ulrich Käufl von der Europäischen Südsternwarte. Deshalb glauben einige Astronomen, dass schwere Sterne nicht aus einer einzigen kollabierenden Gaswolke entstehen, sondern aus der Verschmelzung mehrerer kleiner Gestirne.

Unglücklicherweise ist die Beweislage äußerst dünn – sowohl für die eine als auch für die andere These. „Je schwerer ein Stern, desto schneller verbraucht er seinen Brennstoff und desto kürzer ist seine Lebensdauer, weshalb Riesengestirne nur relativ selten vorkommen“, sagt Käufl. Deshalb könne man sie auch nur selten beobachten. Die bekannten stellaren Giganten sind allesamt sehr weit von der Erde weg: Die nächsten befinden sich 1500 Lichtjahre entfernt. „Deshalb konnte man sie bislang nur schlecht untersuchen – das Auflösungsvermögen der Instrumente reichte nicht aus“, sagt Käufl.

Nun sind Astronomen der Lösung des Rätsels etwas näher gekommen. Mit Hilfe des neuen Submillimeter-Array-Radioteleskops auf Hawaii nahm ein Forscherteam um den Astrophysiker Nimesh Patel einen jungen Stern im Sternbild Kepheus ins Visier, der etwa 15-mal so schwer ist wie die Sonne.

Patel, der am Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (USA) arbeitet, und seine Kollegen konnten zeigen, dass der Riese von einer flachen Gas- und Staubscheibe – einer Akkretionsscheibe – umgeben ist. Es ist die gleiche Struktur, die man auch bei kleinen und mittleren Sternen beobachtet, wenn diese aus zusammenstürzenden Gaswolken hervorgehen. Die Studie der Forscher erschien im Fachblatt „Nature“ (Band 437, Seite 109).

Die Entdeckung der Astronomen ist ein Durchbruch, da zum ersten Mal eine Akkretionsscheibe um einen entstehenden Riesenstern nachgewiesen werden konnte. Damit ist belegt, dass es nicht unbedingt der Kollision mehrerer Sterne bedarf, um einen stellaren Giganten hervorzubringen. Der Fund sei nur mit dem neuen Radioteleskop auf Hawaii möglich gewesen, sagt Karl Menten, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn.

„Das Submillimeter-Array-Teleskop auf Hawaii arbeitet mit kleineren Wellenlängen als bisherige Radioteleskope, deshalb ist sein Auflösungsvermögen wesentlich höher als bei bisherigen Instrumenten“, erklärt Menten.

Untermauert werden die Ergebnisse von einer weiteren Arbeit, ebenfalls in „Nature“ veröffentlicht. Ein Team um den Astronomen Zhibo Jiang von der chinesischen Akademie der Wissenschaften hatte das Becklin-Neugebauer-Objekt untersucht, einen 1500 Lichtjahre entfernten Protostern im Orionnebel, der mindestens die siebenfache Masse der Sonne aufweist. Die Forscher analysierten die Streuung und Polarisation des Sternlichts, und auch sie fanden starke Hinweise auf eine Akkretionsscheibe um den Giganten herum.

„Diese Ergebnisse sind eine schöne Bestätigung dessen, was wir schon seit längerer Zeit vermuten: Auch stellare Riesen können aus der Verdichtung von Gas- und Staubwolken hervorgehen“, sagt Menten. Wie das freilich genau abläuft, bliebe zu klären. Indirekte Hinweise auf Akkretionsscheiben um massereiche Sterne hätte es schon seit Jahren gegeben, doch die neuen Studien hätten sie erstmals deutlich gezeigt.

Die neuen Funde schließen aber nicht aus, dass manchmal auch kleinere Sterne verschmelzen und dabei größere Gestirne hervorbringen. Wahrscheinlich, so argumentieren amerikanische Astronomen in „Nature“, entstehen Riesensterne auf beiden Wegen: Kontraktion von Gaswolken und Kollision von kleineren Gestirnen – abhängig von den jeweils herrschenden Umgebungsbedingungen im Kosmos.