Neue Studie zum Verlauf der Röntgenhelligkeit sonnenähnlicher Sterne

Künstlerische Darstellung des mehr als eine Milliarde alten, sonnenähnlichen Sterns GJ 176. (Credits: X-ray: NASA / CXC / Queens Univ. of Belfast / R. Booth, et al.; Illustration: NASA / CXC / M. Weiss)
Künstlerische Darstellung des mehr als eine Milliarde alten, sonnenähnlichen Sterns GJ 176. (Credits: X-ray: NASA / CXC / Queens Univ. of Belfast / R. Booth, et al.; Illustration: NASA / CXC / M. Weiss)

Eine neue Röntgenstudie hat gezeigt, dass Sterne wie die Sonne und ihre weniger massereichen Cousins nach einer turbulenten Jugend überraschend schnell zur Ruhe kommen. Dieses Ergebnis hat positive Auswirkungen auf die langfristige Bewohnbarkeit von Planeten, die solche Sterne umkreisen.

Ein Forschungsteam nutzte Daten des NASA-Weltraumteleskops Chandra und des ESA-Weltraumteleskops XMM-Newton, um zu untersuchen, wie sich die Röntgenhelligkeit von sonnenähnlichen Sternen im Lauf der Zeit verhält. Die Röntgenemissionen eines Sterns stammen aus einer dünnen, heißen, äußeren Struktur, die als Korona bezeichnet wird. Anhand von Studien der solaren Röntgenemissionen haben Astronomen festgestellt, dass die Korona durch Prozesse aufgeheizt wird, die mit der Interaktion turbulenter Bewegungen und magnetischer Felder in den äußeren Schichten eines Sterns zusammenhängen.

Starke magnetische Aktivität kann bei stellaren Flares helle Röntgenstrahlen und ultraviolettes Licht produzieren. Intensive magnetische Aktivität kann außerdem starke Materieeruptionen auf der Oberfläche des Sterns verursachen. Derart energiereiche Strahlung und Eruptionen können Planeten beeinflussen und könnten ihre Atmosphären schädigen oder zerstören, wie in früheren Studien gezeigt wurde, unter anderem 2011 und 2013 mit der Beteiligung von Chandra-Daten.

Weil stellare Röntgenstrahlung die magnetische Aktivität widerspiegelt, können Röntgenbeobachtungen den Astronomen etwas über die hochenergetische Umgebung des Sterns verraten. Die neue Studie nutzte Röntgendaten von Chandra und XMM-Newton, um zu zeigen, dass Sterne wie die Sonne und ihre weniger massereichen Cousins in ihrer Röntgenhelligkeit überraschend schnell schwächer werden.

Die Forscher untersuchten 24 Sterne, deren Massen mit der Sonnenmasse vergleichbar oder geringer sind; ihr Alter beträgt mindestens eine Milliarde Jahre. Zum Vergleich: Die Sonne ist circa 4,5 Milliarden Jahre alt. Der beobachtete, schnelle Rückgang der Röntgenhelligkeit spricht für einen raschen Abfall der Aktivität, was zu einer bewohnbaren Umgebung für die Entstehung und Entwicklung von Leben auf etwaigen Planeten im Orbit um diese Sterne führen könnte.

"Das sind gute Nachrichten für die Bewohnbarkeit von Planeten um sonnenähnliche Sterne, weil die Menge der schädlichen Röntgen- und Ultraviolettstrahlung, die diese Welten aus stellaren Flares trifft, geringer wäre, als wir bisher annahmen", sagte die Studienleiterin Rachel Booth, eine Doktorandin an der Queen’s University in Belfast (Nordirland).

Dieses Ergebnis unterscheidet sich von anderen Arbeiten über sonnenähnliche und masseärmere Sterne mit einem Alter von weniger als einer Milliarde Jahren. Die neue Forschungsarbeit zeigt, dass sich die Aktivität von älteren Sternen viel schneller abschwächt als bei ihren jüngeren Gegenstücken.

"Wir haben viel über die Unbeständigkeit von Sternen gehört, die weniger massereich als die Sonne sind (beispielsweise TRAPPIST-1 und Proxima Centauri) und darüber, wie schlecht das für Leben begünstigende Atmosphären auf ihren Planeten ist", sagte Katja Poppenhaeger von der Queen’s University und dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) in Cambridge (Massachusetts), eine Co-Autorin der Studie. "Es ist erfrischend, ein paar gute Nachrichten über die potenzielle Bewohnbarkeit zu teilen."

Um zu verstehen, wie schnell sich die Intensität der magnetischen Aktivität mit der Zeit verändert, brauchen Astronomen das genaue Alter von vielen unterschiedlichen Sternen. Das ist eine schwierige Aufgabe, aber neue, präzise Altersbestimmungen wurden jüngst verfügbar durch Studien der NASA-Mission Kepler und der ESA-Mission CoRoT über die Art und Weise, wie Sterne pulsieren. Diese neuen Altersbestimmungen wurden für die meisten der hier untersuchten 24 Sterne verwendet.

Astronomen haben beobachtet, dass die meisten Sterne in ihrer Jugend magnetisch sehr aktiv sind, weil sie schnell rotieren. Wenn die rotierenden Sterne mit der Zeit Energie verlieren, rotieren sie langsamer und die Stärke der magnetischen Aktivität nimmt inklusive der damit einhergehenden Röntgenemissionen ab.

"Wir sind nicht sicher, warum ältere Sterne relativ rasch zur Ruhe kommen", sagte der Co-Autor Chris Watson von der Queen’s University. "Wir wissen aber, dass es in mindestens einem Fall zur erfolgreichen Entstehung von Leben geführt hat – bei unserer eigenen Sonne."

Eine Möglichkeit ist, dass der Rückgang der Rotationsrate bei den älteren Sternen schneller auftritt als bei den jüngeren Sternen. Eine andere Möglichkeit besagt, dass die Röntgenhelligkeit bei älteren, langsamer rotierenden Sternen mit der Zeit viel schneller abfällt als bei jüngeren Sternen.

Eine Abhandlung, die diese Ergebnisse beschreibt, wurde für die Veröffentlichung in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society freigegeben und ist öffentlich einsehbar. Die anderen Co-Autoren sind Victor Silva Aguirre von der Aarhus University in Dänemark und Scott Wolk vom CfA.

Das Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville (Alabama) leitet das Chandra-Programm für das Science Mission Directorate der Agentur in Washington. Das Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge (Massachusetts) steuert Chandras Wissenschafts- und Flugoperationen.

Quelle

(THK)

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