Der Katzenaugennebel, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop. Bildnachweis: NASA./ESA Zum Vergrößern anklicken
Forscher, die eine „Sternenstaubfabrik“ am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, verwenden, haben ein Rätsel gelöst, wie sterbende Sterne bei hohen Temperaturen Silikatstaub erzeugen. Das Verständnis dieses Prozesses hilft uns, unseren Ursprung zu verstehen, denn dieser Staub wird Teil einer anderen Generation von Sternen und Planeten, so wie frühere Generationen von Sternen Staubkörner in unser Sonnensystem beigetragen haben, die zumindest auf einem Planeten zum Leben führten.
Sterbende Sterne erwärmen sich innerlich, während sie ihre äußeren Gasschichten in den Weltraum ausstoßen. Das Gas dehnt sich aus und kühlt ab, wodurch ein Teil der darin enthaltenen Stoffe zu Staubkörnern kondensiert. Beobachtungen im letzten Vierteljahrhundert zeigen, dass Staubkörner aus Silizium und Sauerstoff (SiO oder amorphe Silikatkörner) bei über 700 Grad Celsius in den wogenden Gaswolken (Nebeln), die alte Sterne umgeben, kondensieren. Die vorherrschende Theorie besagte, dass diese Temperatur zu hoch sei, um feste Silikatkörner zu kondensieren – das Silizium und der Sauerstoff hätten im Gas bleiben sollen.
„Obwohl die Theorie dies für unmöglich hielt, bildeten Sterne bei hohen Temperaturen sowieso Staubkörner – es geschah direkt vor unseren Augen“, sagte Dr. Joseph Nuth von Goddard, Hauptautor eines Artikels über diese Forschung, der kürzlich beim Astrophysical Journal eingereicht wurde. „Also gingen wir in unser Labor in Goddard, wo wir Material im Vakuum verdampfen und beobachten, wie es kondensiert, um zu sehen, was uns fehlt.“
Der Versuch ergab, dass der „Dampfdruck“, bei dem die Staubkörner kondensieren, in der Theorie zu hoch war. So wie Nebel (Wasserdampf) bei sinkender Temperatur oder steigender Luftfeuchtigkeit aus der Luft kondensiert, kondensiert SiO bei bestimmten Temperaturen und Drücken aus Nebelgas. Warme Luft enthält mehr Wasser als Gas als kalte Luft, weshalb sich 100 Prozent Luftfeuchtigkeit – die Menge an Wassergas, die erforderlich ist, um die Luft vollständig zu sättigen – an einem heißen Sommertag viel unangenehmer anfühlt. In ähnlicher Weise benötigt es bei hohen Temperaturen mehr SiO-Gas im zirkumstellaren Ausfluss, bevor es vollständig gesättigt ist und zu Staubkörnern kondensiert.
Der Druck, bei dem das SiO-Gas zu kondensieren beginnt, wird als Sättigungsdampfdruck bezeichnet – 100 Prozent Luftfeuchtigkeit für SiO-Gas. Das Experiment ergab, dass der tatsächliche Wert bei 1.300 Grad F etwa 100.000 Mal niedriger war als von der Theorie vorhergesagt. Der niedrigere tatsächliche Wert bedeutet, dass SiO-Gas in einem 1.300-Grad-Nebel in Konzentrationen, die etwa 100.000-mal niedriger sind als bisher angenommen, Staubkörner bilden kann. „Wenn Wettervorhersagen eine ähnliche Vorhersage über den Dampfdruck von Wasser gemacht hätten, würden sie sagen, dass Regen unmöglich ist – sie würden denken, dass nie genug Wasser in der Luft ist, um es regnen zu lassen“, sagte Nuth.
„Wir haben die tatsächlichen niedrigeren Sättigungsdampfdruckwerte aus unserem Experiment in die Theorie gesteckt, und es war fast gut genug. Die modifizierte Theorie sagte voraus, dass das SiO-Gas kurz davor war, zu Staubkörnern zu kondensieren, aber es fehlte noch ein Faktor“, sagte Dr. Frank Ferguson von der Katholischen Universität von Amerika, Washington, Co-Autor des Papiers.
Fehlend war den Forschern zufolge, dass die SiO-Moleküle Energie verlieren können, indem sie sie in den Weltraum abstrahlen. Moleküle können auf verschiedenen Ebenen schwingen, jedes mit mehr Energie als das darunterliegende, bis sie auf den höchsten Schwingungsniveaus so viel Energie haben, dass sie einfach auseinanderbrechen. Wenn nichts ein Molekül erregt, indem es ihm beispielsweise durch Aufprall Energie gibt, verliert das Molekül spontan Energie, indem es auf ein Schwingungsniveau mit niedrigerer Energie fällt, und tut dies weiter, bis es den ??bf?Grundzustand??bf . erreicht ? oder niedrigste Stufe möglich. Da der Druck im ausströmenden Nebelgas gering ist, kollidiert dort ein SiO-Molekül nicht oft mit einem anderen Gasmolekül. Es ist auch unwahrscheinlich, dass er durch das Licht des sterbenden Sterns angeregt wird, da sich der Nebel in die Dunkelheit des Weltraums ausdehnt und nur ein Teil seines Sichtfelds den Stern selbst umfasst. Unter diesen Umständen entsteht eine große Population von SiO-Molekülen im Grundzustand, die minimale Schwingungsenergie enthalten.
Um ein Silikat-Staubkorn zu bilden, müssen zwei SiO-Moleküle zusammenkleben (kondensieren). Dadurch wird Energie frei. Diese Energie muss irgendwo hingehen ??bf? wahrscheinlich in energetischere Schwingungsebenen. Zwei Moleküle, die sich bereits in hochenergetischen Zuständen befinden, gewinnen durch die Kondensationsreaktion eher zu viel Energie, sodass sie sich einfach wieder aufspalten würden. Andererseits ist es wahrscheinlicher, dass zwei niederenergetische SiO-Moleküle aneinander haften bleiben, wobei die Reaktionsenergie vorübergehend in Schwingungszustände höherer Ebene übergeht, bis das größere Molekül diese Energie in den Weltraum abstrahlen kann. Wenn sich viele der SiO-Moleküle im Nebel in niederenergetischen Schwingungszuständen befinden, können sie daher bei einer etwas höheren Temperatur kondensieren, als ihr Dampfdruck allein anzeigt, da diese Moleküle kühler sind als das umgebende Gas.
„Wenn wir den neuen Dampfdruck nutzen und die Schwingungsniveaus der SiO-Moleküle im expandierenden Gas berücksichtigen, kondensiert leicht Silikatstaub“, sagt Nuth. „Dieses Ergebnis zeigt, wie sich Experiment, Beobachtung und Theorie ergänzen, um zu verstehen, was in der Natur wirklich passiert.“ Die Forschung wurde durch das Kosmochemie-Forschungs- und Analyseprogramm der NASA, NASA-Hauptquartier, finanziert.
Originalquelle: NASA-Pressemitteilung
