Wie massereiche Sterne in Doppelsternsystemen zu Kohlenstofffabriken werden

Wenn Sie sich das nächste Mal bei Ihren Glückssternen bedanken, möchten Sie vielleicht die Binärdateien segnen. Neue Berechnungen zeigen, dass ein massereicher Stern, dessen äußere Schicht von einem Begleitstern abgerissen wird, am Ende viel mehr Kohlenstoff abgibt, als wenn der Stern als Einzelgänger 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 jedes chemische Element, das schwerer als Helium ist, entsteht Kohlenstoff in Sternen (SN: 12.02.21). Für viele Elemente konnten Astronomen die Hauptquelle ausfindig machen. Zum Beispiel stammt Sauerstoff fast ausschließlich aus massereichen Sternen, von denen die meisten explodieren, während Stickstoff hauptsächlich in Sternen mit geringerer Masse hergestellt wird, die nicht explodieren. Im Gegensatz dazu entsteht Kohlenstoff sowohl in massereichen als auch in masseärmeren Sternen. Astronomen möchten genau wissen, welche Sterntypen den Löwenanteil dieses lebenswichtigen Elements geschmiedet haben.

Farmer und seine Kollegen haben sich gezielt massereiche Sterne, die mindestens achtmal schwerer als die Sonne sind, angesehen und berechnet, wie sie sich mit und ohne Partner verhalten. Kernreaktionen im Kern eines massereichen Sterns verwandeln zunächst Wasserstoff in Helium. 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 abreißen und den Heliumkern freilegen. Dadurch kann frisch geprägter 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 beispielsweise, dass der Wind eines Sterns, der 40 Mal so massiv wie 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 Kohlenstoff im Wert von nur 0,2 Sonnenmassen aus, berichten die Forscher in einem Papier, das am 8. Oktober bei arXiv.org eingereicht wurde, und im Druck auf der Astrophysikalisches Journal.

Wenn der massereiche Stern dann explodiert, kann er auch eine Supernova eines massereichen Solosterns übertreffen. Das liegt daran, dass der Heliumkern schrumpft, wenn der Begleitstern die Hülle des massereichen Sterns entfernt. Diese Kontraktion hinterlässt etwas 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 geworfen wird. Wäre der Stern einzeln gewesen, hätte der Kern einen Großteil dieses Kohlenstoffs zerstört.

Durch die Analyse der Ausgabe von massereichen Sternen unterschiedlicher Masse kommt Farmers Team zu dem Schluss, dass der durchschnittliche massereiche Stern in einem Doppelsternsystem 1,4- bis 2,6-mal so viel Kohlenstoff durch Winde und Supernova-Explosionen ausstößt wie der durchschnittliche massereiche Einzelstern.

Angesichts der vielen massereichen Sterne in Doppelsternen sagt der Astronom Stan Woosley, dass die Betonung der Doppelsternentwicklung, wie es die Forscher getan haben, hilfreich ist, um den Ursprung eines entscheidenden Elements zu bestimmen. 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 für massereiche Sterne nicht gut genug bekannt, um einen spezifischen Unterschied in der Kohlenstoffproduktion zwischen Einzel- und Doppelsternen zu behaupten.

Farmer räumt die Unsicherheit ein, aber „das Gesamtbild ist solide“, sagt er. „Die Binärdateien machen mehr [carbon].“


Source: Science News by www.sciencenews.org.

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