November 28, 2021

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Wie massereiche Sterne in Doppelsternsystemen zu Kohlenstofffabriken werden

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Wenn Sie sich das nächste Mal bei Ihren Glückssternen bedanken, möchten Sie vielleicht Binärdateien segnen. Neue Berechnungen zeigen, dass ein massereicher Stern, dessen äußere Schicht von einem Begleitstern abgerissen wird, am Ende viel mehr Kohlenstoff freisetzt, als wenn der Stern einzeln geboren worden wäre.

„Dieser Stern produziert etwa doppelt so viel Kohlenstoff wie ein einzelner Stern“, sagt Rob Farmer, Astrophysiker am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching.

Alles Leben auf der Erde basiert auf Kohlenstoff, dem vierthäufigsten Element im Kosmos nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff. Wie fast alle chemischen Elemente, die schwerer als Helium sind, entsteht Kohlenstoff in Sternen (NS: 02.12.21). Für viele Gegenstände konnten Astronomen die Hauptquelle identifizieren. Sauerstoff stammt beispielsweise fast ausschließlich aus massereichen Sternen, von denen die meisten explodieren, während Stickstoff hauptsächlich aus Sternen geringerer Masse besteht, die nicht explodieren. Im Gegensatz dazu kommt Kohlenstoff sowohl in massereichen Sternen als auch in Sternen mit geringer Masse vor. Astronomen möchten genau wissen, welche Arten von Sternen den Löwenanteil dieses lebenswichtigen Elements ausgearbeitet haben.

Farmer und seine Kollegen haben sich gezielt massereiche Sterne, die mindestens achtmal schwerer als die Sonne sind, angesehen und ihr Verhalten mit und ohne Partner berechnet. Kernreaktionen im Herzen eines massereichen Sterns wandeln zunächst Wasserstoff in Helium um. Wenn dem Kern der Wasserstoff ausgeht, dehnt sich der Stern aus und bald beginnt der Kern, Helium in Kohlenstoff umzuwandeln.

Aber massereiche Sterne haben normalerweise Begleitsterne, was der Handlung eine Wendung verleiht: Wenn sich der Stern ausdehnt, kann die Schwerkraft des Begleiters die äußere Hülle des größeren Sterns zerreißen und den Heliumkern freilegen. Dadurch kann der frisch aufgeschlagene Kohlenstoff über einen Partikelstrom in den Weltraum strömen.

„In diesen sehr massereichen Sternen sind diese Winde ziemlich stark“, sagt Farmer. Die Berechnungen seines Teams zeigen zum Beispiel, dass der Wind eines Sterns, der 40 Mal massereicher als die Sonne geboren wird, mit einem engen Begleiter 1,1 Sonnenmassen Kohlenstoff ausstößt, bevor er stirbt. Im Vergleich dazu wird ein einzelner Stern mit der gleichen Masse geboren stößt nur 0,2 Sonnenmasse Kohlenstoff aus, berichten die Forscher in einem Artikel, der am 8. Oktober bei arXiv.org eingereicht wurde und unter Druck steht Astrophysik Journal.

Wenn der massereiche Stern dann explodiert, kann er auch eine massereiche Einzelstern-Supernova übertreffen. Dies liegt daran, dass der Heliumkern schrumpft, wenn der Begleitstern die Hülle des massereichen Sterns wegzieht. Diese Kontraktion hinterlässt Kohlenstoff außerhalb des Kerns. Infolgedessen können Kernreaktionen diesen Kohlenstoff nicht in schwerere Elemente wie Sauerstoff umwandeln, wodurch mehr Kohlenstoff durch die Explosion in den Weltraum geschleudert wird. Wäre der Stern einzeln gewesen, hätte der Kern einen Großteil dieses Kohlenstoffs zerstört.

Durch die Analyse der Emissionen massereicher Sterne unterschiedlicher Masse kommt Farmers Team zu dem Schluss, dass der durchschnittliche massereiche Stern in einem Doppelsternsystem 1,4- bis 2,6-mal mehr Kohlenstoff durch Winde und Supernova-Explosionen ausstößt als er es tut.

Angesichts der Anzahl massereicher Sterne in Doppelsternen sagt der Astronom Stan Woosley, dass der Fokus auf die Entwicklung von Doppelsternen, wie es die Forscher getan haben, bei der Bestimmung des Ursprungs eines entscheidenden Elements hilfreich ist. Aber “Ich denke, sie stellen zu starke Behauptungen auf, die auf Modellen basieren, die möglicherweise empfindlich auf unsichere Physik reagieren”, sagt Woosley von der University of California in Santa Cruz. Insbesondere seien die Massenverlustraten massereicher Sterne nicht ausreichend bekannt, um einen spezifischen Unterschied in der Kohlenstoffproduktion zwischen Einzel- und Doppelsternen zu behaupten.

Landwirt erkennt die Unsicherheit, aber „das Gesamtbild ist gut“, sagt er. “Binärdateien machen mehr [carbon]. “

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