Die Jagd nach den Protosternen

In einem Familienalbum darf niemand fehlen, vor allem nicht die jüngsten Mitglieder. Babys und Kinder sind auch ein beliebtes Motiv für eine Berufsgruppe, deren Ziel ein Fotoalbum kosmischen Ausmaßes ist. Astronomen wollen die jüngsten aller Sterne „ ablichten” – nicht zuletzt, um besser zu verstehen, wie unsere Sonne entstanden ist.

„Die Eigenschaften eines Sterns werden innerhalb seiner ersten halben Millionen Jahre festgelegt – vor allem seine Masse, von der auch seine Helligkeit abhängt. In dieser Zeit bilden sich außerdem die Scheiben um die Sterne, aus denen später Planeten werden”, sagt Tom Megeath von der University of Toledo und erklärt damit das Interesse der Forscher an den sogenannten Protosternen.

IMMER GRÖSSER UND HEISSER

Sterne entstehen innerhalb von Riesenmolekülwolken mit Ausdehnungen von über 100 Lichtjahren. Kollabiert ein Teil einer solchen Wolke unter ihrer eigenen Gravitation, bildet sich ein Protostern. „Die gravitative Energie der Materie in der Wolke wird in Bewegungsenergie und schließlich in Hitze umgewandelt, wenn das Gas auf den Protostern stürzt”, sagt Megeath. Ergebnis: Der Protostern wächst und erhitzt sich. Rund eine halbe Million Jahre dauert diese Masse- und Energiezufuhr.

Danach beginnt eine längere Phase, während der die Schwerkraft den Sternanwärter schrumpfen lässt. Nach 30 Millionen Jahren ist sein Zentrum so heiß und dicht, dass die Wasserstoff-Kerne (Protonen) dort zu Helium-Kernen verschmelzen. Wenn dieser nukleare Brennofen zündet, stoppt der Schrumpfungsprozess: Der noch junge Stern strahlt nun genauso viel Energie ab, wie er durch die Kernfusion freisetzt.

In einem solchen dynamischen Gleichgewicht verharrt derzeit unsere Sonne: Ihr Brennstoffvorrat reicht noch über zehn Milliarden Jahre lang. Mit ihrem Alter von knapp fünf Milliarden Jahren hat sie damit bald die Halbzeit erreicht. Diese Zeitspanne wurde in ihrer protostellaren Phase festgelegt. Tom Megeath vergleicht die protostellaren Molekülwolken mit dem Genom des Menschen: Wenn man ihren Code entschlüsselt, kann man viel über die Eigenschaften des daraus entstehenden Sterns erfahren. Allerdings: „Diesen Teil der Sternentwicklung zu beobachten, ist sehr schwierig”, gibt der Astronom zu. Denn Gas und Staub umhüllen den Protostern wie einen Kokon und absorbieren jegliches Licht, das er aussendet.

Forscher müssen daher tief in die wissenschaftliche Trickkiste greifen, um die Sternentstehung wenigstens indirekt beobachten zu können. Ein Protostern heizt seinen Kokon durch Wärmestrahlung auf. Deshalb können Astronomen wie Tom Megeath mithilfe von Infrarotteleskopen, die hoch über der störenden Atmosphäre der Erde ihren Blick in den Himmel richten, solche Sternentstehungsgebiete untersuchen. Mit einer Entfernung von rund 1400 Lichtjahren ist der Orion-Komplex eines der besten und nächstgelegenen Beispiele. „Die Molekülwolke im Sternbild Orion erstreckt sich von seiner rechten Schulter bis zu seinem rechten Fuß”, sagt Megeath.

SPITZER WAR SPITZE

2003 schickte die US-Weltraumbehörde NASA das Infrarotteleskop Spitzer auf eine der Erde folgende Umlaufbahn um die Sonne. „ Spitzer konnte im Orion Hunderte von Protosternen aufspüren. Man hatte zwar auch schon davor Protosterne gesehen, aber die Stichproben waren sehr klein”, berichtet Amelia Stutz vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

Nun war es zum ersten Mal möglich, Hunderte junger Sterne in der gleichen Entfernung innerhalb eines einzigen Gebiets zu kartieren. Allerdings hatte das Teleskop einen Nachteil: „Spitzer konnte nur etwa die Hälfte des infraroten Spektrums abdecken.”

Für Stutz und ihre Kollegen war es daher ein Glücksfall, als die europäische Weltraumbehörde ESA 2009 das bisher größte Infrarotteleskop ins All schickte: Herschel. Es beobachtete den langwelligeren Bereich des infraroten Spektrums, der für Spitzer unsichtbar war. Da sich aus der Wellenlänge eines Himmelskörpers auf seine Temperatur schließen lässt, war Herschel für sehr viel kältere Objekte als Spitzer sensibel.

Bei HOPS (Herschel Orion Protostar Survey), einer Durchmusterung, an der Megeath und Stutz mitarbeiten, machten die Astronomen eine eher zufällige Entdeckung, von der sie nun in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal berichten: Beim Vergleich der Spitzer-Aufnahmen mit denen von Herschel fiel ihnen auf, dass im langwelligeren Bereich Himmelskörper auftauchten, die Spitzer nur sehr schwach oder gar nicht gesehen hatte.

Die Forscher schlossen daraus, dass es sich um sehr kalte Protosterne handelte, die ihren Kokon bloß auf 20 Grad über den absoluten Nullpunkt erwärmt hatten. Sie nannten die mit der Kamera PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer) aufgenommenen Lichtpunkte PBR (PACS bright red source). „Die PBRs gehören wahrscheinlich zu den jüngsten Protosternen überhaupt”, freut sich Astronom Tom Megeath. „Sie sind so tief in ihren Kokon eingehüllt, dass selbst Infrarotstrahlung kaum entweichen kann.”

Lediglich etwa fünf Prozent der Protosterne im Orion-Komplex gehören zur Gruppe der PBRs. „Ihre Lebensspanne ist wahrscheinlich sehr kurz”, interpretiert Stutz den Fund. „Sie beträgt vermutlich nicht mehr als 25 000 Jahre.” Wie diese jungen Protosterne genau aussehen, weiß die Astronomin allerdings nicht. „Es ist leider unmöglich, einen Protostern direkt zu sehen”, bedauert sie.

Vom Licht, das der Kokon ausstrahlt, kann sie immerhin darauf schließen, dass die Gas- und Staubhüllen 0,2 bis 2 Sonnenmassen ausmachen – „Riesen” befinden sich also nicht darunter (siehe Kasten oben „Es muss nicht unbedingt ein Weltraumobservatorium sein”). Die Detektoren von Herschel wurden durch flüssiges Helium bis fast auf den absoluten Nullpunkt gekühlt. Doch im Mai war das Kühlmittel aufgebraucht. Das Infrarotobservatorium erwärmte sich daraufhin so stark, dass weitere Beobachtungen seither unmöglich sind und Herschel nun in einem „Friedhofsorbit” um die Sonne entsorgt wird. Doch die Erforschung der Sternentwicklung geht mit anderen Teleskopen weiter – und mit der Auswertung der Herschel-Daten werden die Wissenschaftler ebenfalls noch viele Jahre Arbeit haben.

Wachstum im Verborgenen

Ein Protostern wächst durch die Materie in seinem Kokon. Doch wie der Kokon die Eigenschaften des späteren Sterns festlegt, ist noch nicht bekannt. Die Kokons sind von ganz unterschiedlicher Form: „Manche haben filamentähnliche Strukturen, andere sind isoliert. Und wieder andere schauen wie kleine Kugeln aus”, sagt Stutz. „Aber wir wissen noch nicht, wie die Form des Kokons die Sternentstehung beeinflusst und wie sich die Materie in den Kokons bewegt. Bislang scheint die Sternentstehung ein großes Durcheinander zu sein.”

Als nächstes soll deshalb etwas Ordnung in dieses Durcheinander gebracht werden – vielleicht mithilfe von Kohlenmonoxid. Protostern-Kokons enthalten dieses Molekül zwar nur zu einem geringen Anteil, doch große Radioteleskope können es aufspüren und seine Bewegungen verfolgen.

Besonders gut geeignet dafür ist das im März 2013 eingeweihte Observatorium ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) in Chile. Damit wollen die Forscher herausfinden, welche Sterne aus den PBRs einmal entstehen werden – und nebenbei auch etwas über die Kindheit unserer eigenen Sonne erfahren. ■

FRANZISKA KONITZER ist Astrophysikerin und Wissenschaftsjournalistin. Auch der Beitrag „Einmal ist keinmal” ab S. 66 stammt von ihr.

von Franziska Konitzer