ESA-Satellit entdeckt ein völlig neues astrophysikalisches Phänomen im Zusammenhang mit Weißen Zwergen

Die vom Gaia-Satelliten gesammelten Daten hatten eine Anomalie im Verhalten einiger Weißer Zwerge aufgezeigt. Eine Gruppe von Forschern entwickelte daraufhin eine völlig neue Theorie, um zu erklären, was passiert war.

Weißer Zwerg
Einige Weiße Zwerge verhalten sich anomal.

Diese bahnbrechende Entdeckung basiert auf Daten, die der Satellit Gaia (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gesammelt hat. Gaia ist ein künstlicher Satellit, dessen Hauptziel es ist, die Positionen, Entfernungen und Bewegungen von Sternen und anderen Himmelskörpern zu messen (Astrometrie).

Der Satellit wurde am 19. Dezember 2013 in den Weltraum geschossen und seine Mission sollte theoretisch nur fünf Jahre dauern, aber angesichts seiner enormen Leistungen wurde beschlossen, sie mehrmals zu verlängern, derzeit theoretisch bis 2025.

Was Gaia aufgedeckt hat, ist ein anomales Verhalten bei einer Reihe von Weißen Zwergen. Bei diesen Sternen hat der Abkühlungsprozess vor mehr als acht Milliarden Jahren aufgehört.

Was ist ein Weißer Zwerg?

Wir haben oft über Sterne und ihre Entwicklung gesprochen. Je nach ihrer Größe haben Sterne verschiedene Endstadien. Wenn der Stern eine Masse von mehr als 8 Sonnenmassen hat, kann er seine Existenz mit einer katastrophalen und faszinierenden Supernova beenden, oder er kann zu einem Neutronenstern kollabieren, oder er kann ein stellares Schwarzes Loch entstehen lassen.

Wenn der Stern dagegen eine Masse von weniger als 8 Sonnenmassen hat, kann er keine solch spektakulären Phänomene hervorrufen und wird zu einem Weißen Zwerg, einem kleinen, erdähnlichen Stern mit geringer Leuchtkraft, einer eher weißen Farbe, aber einer ähnlichen oder sogar etwas größeren Masse als die der Sonne. Dies bedeutet, dass die Dichte dieser Sterne sehr hoch ist, ebenso wie ihre Oberflächengravitation.

In diesen Sternen enden mit dem Ende des Wasserstoffs und des Heliums auch die Kernfusionsprozesse, da sie keine weiteren thermonuklearen Reaktionen auslösen können. Daher haben sie keine autonomen Energiequellen, die dem Gravitationskollaps entgegenwirken könnten, denn die einzige Kraft, die dem Kollaps entgegenwirkt, ist der Elektronendruck.

Während des Kollapses kühlen die Sterne im Inneren jedoch allmählich ab, bis sie schließlich erlöschen. Bei der Abkühlung kristallisiert das dichte Plasma im Inneren des Sterns und der Stern erstarrt.

Gaia hat eine Anomalie entdeckt

Allerdings hatte Gaia 2019 beobachtet, dass einige Weiße Zwerge, anstatt allmählich auszusterben, über einen längeren Zeitraum eine konstante Helligkeit beibehalten haben, als dies in den allgemein akzeptierten Evolutionsmodellen angenommen wird.

Deshalb wurde kürzlich in Nature eine Studie veröffentlicht, die eine neue Theorie für dieses Phänomen aufstellt, die allerdings auf einem Verhalten beruht, das uns auf der Erde gut bekannt ist.

Nebel
Einige Weiße Zwerge haben ihren Abkühlungsprozess für Milliarden von Jahren unterbrochen.

Den Forschern zufolge wird nämlich während dieses Kristallisationsprozesses ein Fest-Flüssig-Destillationsmechanismus ausgelöst, der durch die Abreicherung der festen Phase von schwereren Verunreinigungen verursacht wird.

Im Grunde genommen bildet das Plasma im Inneren des Sterns, anstatt sich allmählich von innen nach außen als ein einziger Block zu verfestigen, dichte feste Kristalle, die in die Flüssigkeit eingetaucht sind und dann dazu neigen, an die Oberfläche zu schwimmen.

Dieser Prozess ist im Grunde das, was wir beobachten, wenn wir flüssiges Wasser mit Eiswürfeln haben.


Dieses Verhalten bedeutet, dasswährend sich die Kristalle zur Oberfläche des Sterns bewegen, die schwerere Flüssigkeit nach innen wandert, was einen konvektiven Transport von dichtem Material zum Zentrum des Sterns hin bewirkt und Gravitationsenergie freisetzt, die den Abkühlungsprozess des Sterns für Milliarden von Jahren unterbricht.

Warum verhalten sich manche Sterne so?

Dieser Studie zufolge scheint das unterschiedliche Verhalten einiger Sterne auf ihre unterschiedliche chemische Zusammensetzung zurückzuführen zu sein. Da der Gehalt an schweren Elementen variiert, ändert sich auch das Verhalten des Sterns in seinem Endstadium.

Diese Studie ist besonders wichtig, weil Weiße Zwerge oft als Indikatoren für das Alter von Sternpopulationen verwendet werden. Offensichtlich erfordert die verzögerte Abkühlung eine Überarbeitung des Modells, das derzeit zur Rekonstruktion der Galaxienentstehungsgeschichte verwendet wird.

Quellenhinweis:

Bédard, A., Blouin, S. & Cheng, S. Buoyant crystals halt the cooling of white dwarf stars. Nature 627, 286–288 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07102-y