Im vergangenen Jahr haben Astronomen der University of Wyoming rund 100 der schnellsten Sterne in der Milchstraßen-Galaxie gefunden. Dafür verwendeten sie Bilder der Weltraumteleskope Spitzer und WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer), sowie Daten des Wyoming Infrared Observatory (WIRO) auf dem Jelm Mountain nahe Laramie.
Wenn sich manche massereichen Sterne mit Geschwindigkeiten von mehr als 80.000 Kilometern pro Stunde durch den Raum bewegen, können sie Materie vor sich zusammenschieben, ähnlich wie sich Wasser vor einem Schiff aufstaut oder ein Überschallflugzeug eine Schockwelle vor ihm erzeugt. Diese dramatischen, bogenförmigen Strukturen werden als Bow Shocks bezeichnet und helfen Forschern, massereiche Schnellläufer aufzuspüren.
“Manche Sterne erhalten den Schubs, wenn ihre Begleitsterne als Supernovae explodieren. Andere können aus dicht gepackten Sternhaufen herauskatapultiert werden”, sagte William Chick, ein Doktorand der Physik an der University of Wyoming. Er präsentierte die neuen Ergebnisse seines Teams am 5. Januar 2016 auf dem 227. Treffen der American Astronomical Society in Kissimmee (Florida). “Der gravitative Schubs erhöht die Geschwindigkeit eines Sterns relativ zu den anderen Sternen.”
“Dies ist eine bisher nicht katalogisierte Sammlung faszinierender Sterne”, sagte Chip Kobulnicky, ein Professor am Department of Physics and Astronomy der University of Wyoming, Chicks Doktorvater. “Es sind heiße, massereiche Sterne, die sich mit Überschallgeschwindigkeit durch den interstellaren Raum bewegen.” Kobulnicky zufolge nutzen sie die Bow Shocks, um die massereichen Sterne und/oder Schnellläufer zu finden. “Die Bow Shocks sind neue Laboratorien für die Untersuchung massereicher Sterne und die Beantwortung von Fragen über das Schicksal und die Entwicklung dieser Sterne”, ergänzte er.
Die Sonne bewegt sich mit einer moderaten Geschwindigkeit um die Milchstraßen-Galaxie, aber es ist nicht klar, ob sie einen Bow Shock erzeugt. Im Vergleich dazu bewegt sich ein massereicher Stern namens Zeta Ophiuchi (Zeta Oph) mit einer erstaunlichen Schockwelle schneller um die Galaxie als unsere Sonne: Seine Geschwindigkeit relativ zu seiner Umgebung beträgt etwa 87.000 Kilometer pro Stunde (circa 24 km/s). “Es ist erstaunlich, dass sich etwas so Großes schneller als 80.000 Kilometer pro Stunde bewegen kann”, sagte Chick. “Das ist eine große Sache.”
Sowohl die Geschwindigkeit von Sternen, die sich durch den Weltraum bewegen, als auch deren Masse tragen zur Größe und Form von Bow Shocks bei. Je massereicher der Stern ist, desto mehr Materie emittiert er in Hochgeschwindigkeitswinden. Zeta Ophiuchi besitzt etwa die 20-fache Sonnenmasse und emittiert Winde mit Überschallgeschwindigkeit, die auf die Materie vor dem Stern treffen.
Wenn ein massereicher Stern mit starken Sternwinden wie Zeta Ophiuchi durch den Weltraum flitzt, staut er vor sich leuchtende Materie auf. Diese bogenförmige Struktur heizt sich auf und leuchtet in infraroten Wellenlängen. Den Wellenlängen wird auf den vielen Bow-Shock-Bildern von Spitzer und WISE die Farbe Rot zugeordnet.
Supernovae sind für einen Großteil der Hitze verantwortlich, die in der Galaxie erzeugt wird, ebenso wie für die Hälfte aller Elemente, die schwerer als Helium sind, und für die Hälfte des Eisens auf der Erde. Diese Sterne seien 5-6 Mal heißer als die Sonne, die eine Oberflächentemperatur von 5.500 Grad Celsius aufweist, sagte Kobulnicky.
Chick und sein Team nutzten archivierte Infrarotdaten von Spitzer und WISE, um die neuen Bow Shocks zu identifizieren, darunter auch weiter entfernte, die schwerer zu finden waren. Ihre anfängliche Suche ergab mehr als 200 Bilder mit verschwommenen, roten Bögen. Anschließend verwendeten sie WIRO, um 80 dieser Kandidaten eingehender zu beobachten und die Quellen der vermuteten Bow Shocks zu identifizieren. Die meisten stellten sich als massereiche Sterne heraus.
Obwohl einige Sterne tatsächlich Schnellläufer sein könnten, denen von anderen Sternen ein gravitativer Schubs mitgegeben wurde, könnten sich die bogenförmigen Strukturen in einem kleinen Prozentsatz der Fälle als etwas anderes erweisen: Staub von Sternen oder die Geburtswolken neu entstandener Sterne. Das Team plant weitere Beobachtungen, um die Präsenz der Bow Shocks zu bestätigen.
Stephan Munari, ein UW-Student aus Cody, war einer von fünf College-Studenten des Research Experience for Undergraduate Program, der an dieser Arbeit beteiligt war. Andere Studenten kamen von der California State Polytechnic University in Pomona, der Case Western Reserve University in Toledo (Ohio), der Embry Riddle Aeronautical University in Daytona Beach (Florida) und dem Front Range Community College in Denver (Colorado).
“Ich habe mehr über Astronomie gelernt und wie man Forschung durchführt und einige praktische Erfahrungen mit WIRO gemacht”, sagte Munari, ein Senior mit mechanischem Ingenieurswesen als Hauptgebiet. “Aus meiner Sicht war die Geschwindigkeit, mit der sich diese Sterne bewegen, am interessantesten. Es war eine sehr gute Erfahrung für mich.”
Die Arbeit der Studenten begann auf dem Campus und bestand darin, verschiedene Stern-Datenbanken zu sichten, die unterschiedliche Infrarotwellenlängen umfassen. Davon ausgehend fanden die Studenten grundlegende Bow-Shock-Formen und schrieben deren Koordinaten auf. Anschließend reiste die Gruppe zum WIRO, richtete das Teleskop auf diese Sterne und sammelte weitere Daten. Die Studenten verarbeiteten die Daten und verglichen die neu entdeckten Sterne mit den bereits bekannten. “Als wir sie erst einmal verglichen hatten, konnten wir in 90 Prozent der Fälle sagen, dass wir einen weiteren Stern mit einem Bow Shock gefunden hatten”, sagte Munari. “Bei den restlichen zehn Prozent konnten wir das nicht mit Sicherheit bestätigen.”
Laut Chick war es ermutigend, von Whitney Clavin positive Kommentare über seine Präsentation zu bekommen. Clavin ist Wissenschaftsautorin im Media Office des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA. “Sie sagte mir, von den acht Präsentationen an jenem Tag habe ich die beste abgeliefert.” Kobulnicky ergänzte, dass Chick einer der nur 20 (von 2.000) Astronomen war, die für eine Präsentation zu der Konferenz eingeladen wurden.
Einige der ersten Bow Shocks von Schnellläufern wurden in den 1980er Jahren von David Van Buren am Jet Propulsion Laboratory in Pasadena (Kalifornien) identifiziert. Er und seine Kollegen fanden sie mit Hilfe von Infrarotdaten des Infrared Astronomical Satellite, einem Vorläufer von WISE, der 1983 den gesamten Himmel im Infrarotbereich scannte.
Kobulnicky und Chick gehören zu einem größeren Forschungsteam aus Wissenschaftlern und Studenten, das Bow Shocks und massereiche Sterne untersucht. Die National Science Foundation finanziert ihre Forschungsarbeit.
Kobulnicky sagte, seine Gruppe arbeite an zwei Abhandlungen für die Veröffentlichung im Astrophysical Journal, das als das weltweit führende Journal angesehen wird, welches sich mit neuen Entwicklungen, Entdeckungen und Theorien in der Astronomie und Astrophysik beschäftigt.
(THK)
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