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Auf der Flucht – der Astrophysiker Prof. Dr. Stephan Geier erklärt die Begeisterung für die Entdeckung „hyperschneller Sterne“ und was sie uns verraten

Der „Runaway Star“ Zeta Ophiuchi – in der Nähe der Bildmitte und etwa 20-mal so massereich wie die Sonne – bewegt sich mit 24 Kilometern pro Sekunde nach links. Aufgrund seiner Geschwindigkeit erzeugt er wie ein Schiff, das durch die kosmische See pflügt, die bogenförmige interstellare Bogenwelle oder den Bogenschock, der in diesem Infrarotporträt zu sehen ist. Foto: NASA, JPL-Caltech, Spitzer Space Telescope.

Der „Runaway Star“ Zeta Ophiuchi – in der Nähe der Bildmitte und etwa 20-mal so massereich wie die Sonne – bewegt sich mit 24 Kilometern pro Sekunde nach links. Aufgrund seiner Geschwindigkeit erzeugt er wie ein Schiff, das durch die kosmische See pflügt, die bogenförmige interstellare Bogenwelle oder den Bogenschock, der in diesem Infrarotporträt zu sehen ist. Foto: NASA, JPL-Caltech, Spitzer Space Telescope.

Wenn Sterne flüchten, dann mit Höchstgeschwindigkeit. Mitunter durchqueren sie die Galaxie mit 600 Kilometern pro Sekunde – über Milliarden von Jahren hinweg. Aber wie kam es dazu? Matthias Zimmermann sprach mit dem Astrophysiker Prof. Stephan Geier über die die Jagd nach schnellen Sternen, ihre Entstehung und die Frage, was sie uns über das Universum verraten.

Schnelle Sterne oder „Runaway Stars“, wie sie auf Englisch heißen – was versteht man darunter?
Da gehen die genauen Definitionen ein bisschen auseinander. Im Grunde handelt es sich um Sterne, die sich aus irgendeinem Grund vom Ort ihrer Entstehung entfernt haben. Klassisch wurden massive und junge Sterne so bezeichnet. Da diese Kolosse sehr träge und daher schwer zu beschleunigen sind, müssen ihre Geschwindigkeiten gar nicht so hoch sein (bis zu 30 km/s). Heute spricht man da manchmal von „Walkaway Stars“. Ihre schnelleren Vettern haben typischerweise Geschwindigkeiten von 100 bis 200 km/s. Seit 2005 kennen wir die neue Klasse der „Hypervelocity Stars“, die sich mit viel höheren Geschwindigkeiten bewegen. Einige von ihnen sind so schnell (mehr als 600 km/s), dass sie nicht mehr an unsere Galaxie gebunden sind und diese daher verlassen.

Warum interessieren Sie sich für „schnelle Sterne“?
Sterne auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen, ist alles andere als einfach. Hierzu bedarf es extremer Mechanismen wie etwa Supernovaexplosionen oder die Interaktion mit supermassiven Schwarzen Löchern. Einige der schnellen Sterne lassen sich mit gängigen Theorien noch gar nicht erklären und liefern daher Hinweise auf noch unbekannte extreme Ereignisse in unserer Galaxie. Schnelle Sterne können auch genutzt werden, um diese Mechanismen genauer zu erforschen.

Wie erforscht man Sie?
Um die Geschwindigkeit eines Sterns und seine Flugbahn in der Galaxie zu bestimmen, braucht man zunächst einmal sehr genaue Positionsmessungen zu verschiedenen Zeiten. Hier hat die Gaia Weltraummission 2018 für einen Durchbruch gesorgt, was Genauigkeit und Anzahl der Messungen angeht. Auch die Entfernungen der Sterne sind dadurch nun in vielen Fällen erstmals gut bestimmt. Außerdem analysieren wir Sternspektren, um weitere Informationen über die Eigenschaften der Sterne selbst zu erhalten. Da gerade die schnellsten Sterne oft sehr weit entfernt und daher nicht sehr hell sind, nutzen wir hierzu die größten verfügbaren Teleskope vor allem in Chile und auf Hawaii. Unsere Kollegen von der theoretischen Astrophysik überlegen sich mögliche Beschleunigungsszenarien, führen Simulationen durch und machen Vorhersagen über die Sterne, die dann mit unseren Beobachtungen verglichen werden. So versuchen wir gemeinsam, den Mechanismen auf die Spur zu kommen.

Was verraten sie uns?
Gelingt es, eine bestimmte Klasse von schnellen Sternen einem bestimmten Beschleunigungsmechanismus zuzuordnen, können wir Rückschlüsse auf den Mechanismus selbst schließen. Ein Highlight von „Stars on the Run II“ war die Entdeckung eines außerordentlich schnellen „Hypervelocity Stars“ mit einer Geschwindigkeit von 1700 km/s. Das ist nicht nur neuer galaktischer Rekord, der Stern kommt auch direkt aus dem galaktischen Zentrum. Das ist das erste Mal, dass ein „Hypervelocity Star“ eindeutig dorthin zurückverfolgt werden konnte und damit der Beweis, dass das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße tatsächlich Sterne aus der Galaxie wirft. Wir haben das lange vermutet und Indizien dafür gesammelt, aber erst jetzt gibt es den Beweis. Die Untersuchung dieser Sterne und ihrer Verteilung am Himmel hängt stark von der direkten Umgebung des Schwarzen Lochs ab, die durch dicke Staubwolken nur sehr schwer direkt beobachtbar ist. Sollten sich die Sterne etwa in einer Scheibe um das Schwarze Loch bewegen, würde man erwarten, dass sie nur in bestimmte Richtungen ausgeworfen werden können und daher ungleichmäßig am Himmel verteilt sind. Wohlgemerkt Sterne, die heute Zehntausende Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt sind!
Auch die Flugbahn der schnellen Sterne kann uns helfen, mehr über unsere Galaxie zu erfahren. Die Sterne befinden sich heute weit draußen im galaktischen Halo, wo auch der Löwenanteil der mysteriösen Dunklen Materie in der Galaxie vermutet wird. Die genaue Flugbahn hängt aber sowohl von der Masse als auch von der Materieverteilung im Halo ab. Beides kann mit „Hypervelocity Stars“ bestimmt werden.
Alternative Beschleunigungsszenarien postulieren die Explosion von Sternen in Doppelsternsystemen. Der überlebende Begleiter wird dann mit seiner hohen Umlaufgeschwindigkeit ausgeworfen. Sowohl massive Sterne als auch kompakte Sternüberreste wie Heliumsterne oder Weiße Zwerge mit so hohen Geschwindigkeiten wurden schon entdeckt. Auch in diesem Szenario sollten an den Sternen noch Spuren des Events haften. So suchen wir etwa nach besonderen chemischen Zusammensetzungen der Sterne, die auf eine Verschmutzung durch die Supernova hindeuten. Ein weiteres Highlight des letzten Jahres war die Entdeckung sogenannter „Zombie Hypervelocity Stars“. Dies sind Sternüberreste mit so ungewöhnlichen chemischen Zusammensetzungen, dass man sie für Überreste einer Supernova-Fehlzündung hält. Einer Explosion also, die den Stern nicht komplett zerstörte. Solche Überreste, aber auch überlebende Begleitsterne können genutzt werden, um mehr über die Supernova-Explosionen selbst herauszufinden.
Wir finden allerdings auch Sterne mit hohen Geschwindigkeiten, die keinem der gängigen Mechanismen zugeordnet werden können. In Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Erlangen und in den USA entdeckten wir kürzlich einen Stern, der garantiert nicht aus dem galaktischen Zentrum kommt. Dessen Geschwindigkeit ist aber auch zu hoch für das Supernova-Szenario. Eine mögliche Erklärung für diesen und einige andere Sterne könnte die Existenz von Schwarzen Löchern mittlerer Masse liefern, die schon seit Längerem in den Kernen von Sternhaufen vermutet werden.

Vor wenigen Tagen fand in Golm der zweite – von Ihnen organisierte – Workshop zu „Runaway Stars“ statt. Worum ging es genau?
Die Konferenz „Stars on the Run II“, auf der sich 70 Experten aus aller Welt trafen, stand ganz unter dem Eindruck der ersten großen Veröffentlichung von Daten der Gaia Weltraummission 2018. Die Teilnehmer stellten Resultate vor, die oft auf den neuen Messungen basierten. Themen waren die Suche nach schnellen Sternen, die Entdeckung und Analyse neuer Klassen dieser Objekte, die Eigenschaften unserer Milchstraße und ihrer Satellitengalaxien, Supernova-Explosionen und die Interaktionen schneller Stern mit dem intergalaktischen Gas. Highlights waren die Entdeckung neuer Klassen von „Hypervelocity Stars“, neue Einblicke in das galaktische Zentrum mit dem GRAVITY-Instrument sowie die Präsentation und Diskussion der Gaia-Daten.

Welcher Frage gehen Sie mit Blick auf „schnelle Sterne“ derzeit/als nächstes nach?
Nicht umsonst gab bereits der erste Vortrag auf der Konferenz einen Ausblick auf künftige Veröffentlichungen neuer Gaia-Daten ab 2020, von denen wir uns die Klärung einiger strittiger Fragen erhoffen. Niedrigere Messfehler und eine besseres Verständnis der Daten sind notwendig, um echte Entdeckungen von statistischen oder systematischen Ausreißern zu unterscheiden. Da wir nach extremen Objekten suchen, finden wir solche Ausreißer zuerst und können damit auch bei der Verbesserung und Fehlersuche in den Gaia-Daten behilflich sein. Das zweite Desiderat unserer Forschung sind Spektren für unsere Kandidaten, die wir sowohl im Zuge eigener Beobachtungskampagnen, als auch als Teil künftiger großer Himmelsdurchmusterungen gewinnen wollen. Hier wird der 4MOST Spektrograph eine große Rolle spielen, der im Moment am AIP Potsdam gebaut und in einigen Jahren in Chile in Betrieb gehen wird. Meine Arbeitsgruppe hat sich vor Kurzem auch an diesem Projekt beteiligt.

Vielen Dank!

Dieser Text erschien im Universitätsmagazin Portal 2/2019.

Text: Matthias Zimmermann
Online gestellt: Sabine Schwarz
Kontakt zur Online-Redaktion: onlineredaktionuni-potsdamde