In ferner Zukunft wird sich unsere Sonne in einen festen kristallinen Weißen Zwerg verwandeln. So wird es passieren

Vor etwa fünfzig Jahren sagten Astronomen das endgültige Schicksal unserer Sonne voraus. Der Theorie zufolge wird die Sonne in Milliarden von Jahren ihren Wasserstofftreibstoff aufbrauchen und sich zu einem Roten Riesen ausdehnen, gefolgt von einer Ablösung ihrer äußeren Schichten und einem Weißen Zwerg. Nach einigen weiteren Milliarden Jahren der Abkühlung wird das Innere kristallisieren und fest werden.

Bis vor kurzem hatten Astronomen wenig Beweise, um diese Theorie zu untermauern. Aber dank der ESA Gaia-Observatorium Astronomen können jetzt beobachten Hunderttausende von Weißen Zwergsternen mit immenser Präzision – indem sie ihre Entfernung, Helligkeit und Farbe messen. Dies wiederum hat es ihnen ermöglicht, zu untersuchen, was die Zukunft für unsere Sonne bereithält, wenn sie nicht mehr der warme, gelbe Stern ist, den wir heute kennen und lieben.

Die Studie, die diese Ergebnisse beschreibt, erschien kürzlich in der ZeitschriftNaturunter dem Titel ' Kernkristallisation und Anhäufung in der Abkühlungssequenz sich entwickelnder Weißer Zwerge .“ Die Studie wurde von Pier-Emmanuel Tremblay, einem Assistenzprofessor an der University of Warwick, geleitet und umfasste mehrere Forscher von Warwick Astronomie und Astrophysik Gruppe, der Université de Montréal und der University of North Carolina.

Künstlerische Darstellung der Sternentwicklung, bei der Sterne je nach Klassifizierung zu Schwarzen Löchern, Neutronensternen oder Weißen Zwergen werden. Bild: ESA

Wenn es um die Sternentwicklung geht, haben jahrzehntelange Beobachtungen in Kombination mit theoretischen Modellen es Astronomen ermöglicht, aufgrund seiner Klassifizierung zu schließen, was mit einem Stern passieren wird. Während größere Sterne (wie blaue Superriesen) schließlich zur Supernova werden und zu Neutronensternen oder Schwarzen Löchern werden, werden kleinere Sterne wie unsere Sonne ihre äußeren Schichten abwerfen, um zu planetarischen Nebeln zu werden und schließlich ihren Lebenszyklus als Weißer Zwerg zu beenden.

Diese ultradichten Sterne emittieren beim Abkühlen weiterhin Strahlung, ein Prozess, der Milliarden von Jahren dauert. Schließlich ist ihr Inneres so kühl – etwa 10 Millionen °C (50 Millionen °F) –, dass der extreme Druck, der auf ihre Kerne ausgeübt wird, dazu führt, dass das Material dort kristallisiert und fest wird. Es wird geschätzt, dass dies das Schicksal von bis zu 97% der Sterne in der Milchstraße sein wird, während der Rest zu Neutronensternen oder Schwarzen Löchern wird.

Da Weiße Zwerge zu den ältesten Sternen im Universum gehören, sind sie für Astronomen unglaublich nützlich. Da ihr Lebenszyklus vorhersehbar ist, werden sie als „kosmische Uhren“ verwendet, um das Alter von Gruppen benachbarter Sterne mit hoher Genauigkeit abzuschätzen. Es war jedoch eine Herausforderung zu bestimmen, was mit Weißen Zwergen gegen Ende ihres Lebenszyklus passiert.

Zuvor waren Astronomen in Bezug auf die Anzahl der Weißen Zwerge, die sie untersuchen konnten, begrenzt. All das hat sich mit dem Einsatz von geändertGaia, einem Weltraumobservatorium, das in den letzten Jahren die Positionen, Entfernungen und Bewegungen von Sternen präzise vermessen hat, um den detailliertesten 3D-Weltraumkatalog aller Zeiten zu erstellen.

Die Gaia-Mission der ESA befindet sich derzeit auf einer fünfjährigen Mission, um die Sterne der Milchstraße zu kartieren. Gaia hat Beweise für eine galaktische Kollision gefunden, die vor 300 Millionen bis 900 Millionen Jahren stattfand. Bildnachweis: ESA/ATG medialab; Hintergrund: ESO/S. Brunier.

Als Pier-Emmanuel Tremblay, ein ERC* Starting Grant Fellow, in einer aktuellen ESA Pressemitteilung :

„Früher hatten wir nur Entfernungen für einige Hundert Weißer Zwerge und viele von ihnen waren in Gruppen, wo sie alle das gleiche Alter haben. Mit Gaia haben wir jetzt die Entfernung, Helligkeit und Farbe von Hunderttausenden von Weißen Zwergen für eine beträchtliche Probe in der äußeren Scheibe der Milchstraße, die eine Reihe von Anfangsmassen und alle Arten von Alters umfasst.“

Für ihre Studie verwendeten die Astronomen Gaia-Daten, um mehr als 15.000 stellare Überreste innerhalb von 300 Lichtjahren um die Erde zu analysieren. Aus dieser Probe konnten sie einen Überschuss an Sternen (auch bekannt als Pile-up) identifizieren, die bestimmte Farben und Leuchtkräfte aufwiesen, die keiner einzelnen Masse oder keinem Alter entsprachen.

Diese Anhäufung, die einst mit evolutionären Sternenmodellen verglichen wurde, schien mit dem Entwicklungsstadium zusammenzufallen, in dem Sterne in großen Mengen Wärme verlieren. Dieser Prozess verlangsamt den natürlichen Abkühlungsprozess und führt dazu, dass die abgestorbenen Sterne nicht mehr verdunkeln, wodurch sie bis zu 2 Milliarden Jahre jünger erscheinen, als sie tatsächlich sind

„Dies ist der erste direkte Beweis dafür, dass Weiße Zwerge kristallisieren oder von flüssig in fest übergehen“, erklärte Tremblay in einem Warwick Pressemitteilung . „Vor fünfzig Jahren wurde vorhergesagt, dass wir aufgrund von Kristallisation eine Anhäufung der Anzahl von Weißen Zwergen bei bestimmten Helligkeiten und Farben beobachten sollten, und erst jetzt wurde dies beobachtet.“

Abkühlsequenz und Kristallisation des Weißen Zwergs, basierend auf Gaia-Daten. Bildnachweis: Pier-Emmanuel Tremblay (et al.)

Dieses Muster, bei dem die Leuchtkraft unabhängig vom Alter ist, war vor 50 Jahren eine der wichtigsten Vorhersagen über die Kristallisation von Weißen Zwergen. Jetzt, da Astronomen direkte Beweise für diesen Prozess haben, wird dies wahrscheinlich unser Verständnis davon beeinflussen, in welche Sterngruppierungen Weiße Zwerge aufgenommen werden sollten.

„Weiße Zwerge werden traditionell zur Altersbestimmung von Sternpopulationen wie Sternhaufen, der äußeren Scheibe und dem Halo in unserer Milchstraße verwendet“, sagte Tremblay. „Wir müssen jetzt bessere Kristallisationsmodelle entwickeln, um genauere Schätzungen des Alters dieser Systeme zu erhalten.“

Während zum Beispiel alle Weißen Zwerge irgendwann in ihrer Evolution kristallisieren, variiert die dafür benötigte Zeit je nach Stern. Massivere Weiße Zwerge kühlen schneller ab und erreichen die Temperatur, bei der die Kristallisation eintritt, früher (in etwa einer Milliarde Jahren). Kleinere Weiße Zwerge, zu denen unsere Sonne werden wird, können bis zu sechs Milliarden Jahre benötigen, um denselben Übergang zu vollziehen.

„Das bedeutet, dass Milliarden von Weißen Zwergen in unserer Galaxie den Prozess bereits abgeschlossen haben und im Wesentlichen Kristallkugeln am Himmel sind“, sagte Tremblay. In der Zwischenzeit ist davon auszugehen, dass unsere Sonne diesen Übergang in etwa weiteren zehn Milliarden Jahren durchläuft. An diesem Punkt hat unsere Sonne ihre Phase des Roten Riesenzweigs verlassen, ist zu einem Weißen Zwerg geworden und hat den Kristallisationsprozess begonnen.

Der Lebenszyklus eines sonnenähnlichen Sterns, von seiner Geburt auf der linken Seite des Bildes bis zu seiner Entwicklung zu einem Roten Riesen auf der rechten Seite nach Milliarden von Jahren. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser

Dies ist nur die neueste Enthüllung aus derGaiaMission, die in den letzten fünf Jahren Himmelsobjekte in der Milchstraße und benachbarten Galaxien katalogisiert hat. Bevor die Mission endet (voraussichtlich bis 2022), sind zwei weitere Datenfreigaben geplant, wobei die DR3-Veröffentlichung für 2021 geplant ist und die endgültige Veröffentlichung noch festgelegt wird.

*Die Forschung wurde ermöglicht durch die Förderung durch das Europäischer Forschungsrat (ERC).

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