In Schönheit sterben

Aufgrund des stetig abströmenden Teilchenwinds verliert der Stern einen großen Teil seiner Masse: Er wird immer leichter, und der Druck im Innern verringert sich, bis die Kernfusion endet. In der Folge schrumpft der Stern bis auf die Größe eines Planeten, vergleichbar mit der Erde, hat aber noch bis zu 1,4 Sonnenmassen. Er ist nun ein Weißer Zwerg, der anfänglich über 100.000 Grad heiß sein kann und, in Jahrmilliarden langsam auskühlend, dem Kältetod entgegenstrebt.

Diese anfänglich heißen Körper fluten ihre Umgebung mit energiereicher UV-Strahlung und regen das umgebende Gas zum Leuchten an: Ein Planetarischer Nebel wird sichtbar. Für dieses Szenario schuf der amerikanische Astronom Lawrence Aller die schöne Metapher: „Planetarische Nebel sind Kränze, von der Natur um sterbende Sterne gelegt.“

Die Fülle der Formen

Das Wissen über die wahre Natur und die Formen der Planetarischen Nebel hat sich enorm erweitert. Nur etwa ein Fünftel aller Planetarischen Nebel ist rund. Andere haben eine elliptische, bi- und multipolare, punktsymmetrische oder mehrschalige Gestalt.

Diese Vielfalt ist zum Teil eine Folge von Projektionseffekten, weil wir die räumlich ausgedehnten Objekte stets nur flächig sehen. So erscheint uns beispielsweise ein bipolarer, einer Sanduhr ähnelnder Nebel als Ring, wenn wir direkt in seine Längsachse blicken. In der einfachsten Klassifizierung finden sich 20 Prozent runde, 60 Prozent elliptische und 13 Prozent bipolare Nebel. Der Rest lässt sich nicht eindeutig zuordnen.

Bei den kugelförmigen Nebeln ist die Erklärung einfach: Hier sieht man jenes Gas, das von der Oberfläche des einstigen Roten Riesen abgeströmt ist. Doch wie kommen die anderen Formen zustande? Viele Nebel weisen eine längliche, bipolare Struktur auf – zum Beispiel der nach Rudolph Minkowski benannte M2–9, den der deutschstämmige Astronom 1947 am Mount-Wilson-Observatorium im US-Bundesstaat Kalifornien entdeckte. Die volle Schönheit dieses Nebels offenbart sich auf spektakulären Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops.

Seit Jahrzehnten diskutieren Astronomen die Ursachen dieser Form (bild der wissenschaft 2/2001, „Kosmischer Striptease“). Immer wieder gab es Erklärungen, warum der Teilchenwind eines sphärischen Sterns vorwiegend in zwei Richtungen weht. Denkbar waren ein Dipolmagnetfeld, ähnlich dem der Erde, oder eine schnelle Drehung, bei dem die Rotationsachse die Nebelform bestimmt. Diese Hypothesen gelten mittlerweile als unwahrscheinlich.

„Ein einzelner Stern erreicht weder die erforderliche Rotationsgeschwindigkeit noch die Magnetfeldstärke, um die sphärische Symmetrie zu brechen“, erklärt Guillermo García-Segura von der Autonomen Universität Mexiko.

Die Lösung des Rätsels: Alle nicht runden Planetarischen Nebel werden von Doppelsternen erzeugt – eine naheliegende Annahme, denn mindestens die Hälfte aller Sterne ist Teil eines Doppel- oder Mehrfachsystems. Mit einer Reihe von ausgefeilten Computersimulationen konnte García-Segura diese Hypothese jüngst überzeugend belegen.

Duett der Sterne

Wenn zwei Sterne sich umkreisen, hat der schwerere von beiden als erster seinen Brennstoff verbraucht und bläht sich zu einem Roten Riesen auf. Dann strömt vermehrt Gas von ihm ab und wird von dem Begleiter angezogen. Die weitere Entwicklung hängt stark vom Abstand der beiden Körper und deren Massenverhältnis ab.

In der Regel sammelt sich das Gas letztlich in einer Scheibe an, in der sich beide Sterne gemeinsam umeinander bewegen. Ist diese sogenannte Common-Envelope-Phase eingetreten, kann sich der Teilchenwind nur noch ober- und unterhalb der Scheibe ausdehnen. Zusätzlich tritt nun das Magnetfeld des Roten Riesen in Aktion. Es wird mit dem Wind in die angrenzende, sich drehende Scheibe getragen und darin gleichsam aufgewickelt. Dadurch wird das Feld bis um das 25-Fache verstärkt, wölbt sich korkenzieherartig aus der Scheibe heraus und bildet gewissermaßen Leitplanken, entlang derer der Wind senkrecht zur Scheibe abströmt.

Das Feld kann sich zudem verengen, wie ein Schlauch, den man sanft zusammendrückt. In dieser ersten Entwicklungsphase eines Protoplanetarischen Nebels entsteht eine gerichtete Strömung, auch Jet genannt. „Die einschnürende Wirkung des toroidalen Magnetfelds ist für die Bildung von Jets unerlässlich“, sagt Guillermo García-Segura. „Dieser Effekt verschwindet später.“ Dann strömt der Wind in einem breiteren Winkel senkrecht zur Scheibe ins All und leuchtet als bipolarer Nebel, sobald der Rote Riese zum Weißen Zwerg geschrumpft ist.

Ein solches Szenario lässt sich bislang nur an wenigen Exemplaren direkt überprüfen. Das mit 1200 Lichtjahre uns am nächsten gelegene Studienobjekt ist V Hydrae. Mit dem Hubble-Teleskop entdeckte ein Team um Raghvendra Sahai vom Jet Propulsion Laboratory der NASA 2016 mehrere heiße Blasen, die sich mit bis zu 240 Kilometern pro Sekunde vom Stern entfernen. Wahrscheinlich sind sie Verdichtungen innerhalb eines Jets. Er scheint zudem hin und wieder seine Richtung zu ändern. Anfang dieses Jahres folgten Aufnahmen mit dem ALMA-Observatorium in Chile (Atacama Large Millimeter/submillimeter wave Array). Sie zeigen zum ersten Mal eine Scheibe um den Zentralstern. Überraschenderweise ist sie aber nicht durchgehend, sondern besteht aus sechs expandierenden Ringen, von denen der innerste vor 270 und der äußerste vor 2150 Jahren entstand. Möglicherweise zeugt diese Ringstruktur von periodischen Ausbrüchen, bei denen der Stern vermehrt Gas abgestoßen hat.

Außerdem gibt es Hinweise auf einen unsichtbaren Begleitstern, der V Hydrae auf einer elliptischen Bahn mit einer Periode von 8,5 Jahren umkreist. Raghvendra Sahai vermutet, dass immer dann, wenn der Begleiter seinem Zentralstern am nächsten kommt, vermehrt Gas in den Jet gestoßen wird. Er leuchtet dann als eine der beobachteten heißen Blasen auf. Völlig verstanden sind die Phänomene jedoch bislang noch nicht.

Planeten im Nebel

Wenn Begleitsterne eines Roten Riesen die Entwicklung eines Planetarischen Nebels beeinflussen, können dies dann eventuell auch Planeten? Das untersuchten kürzlich Ahlam Hegazi vom Israel Institute of Technology in Haifa und seine Kollegen. Die Antwort hängt von verschiedenen Bedingungen ab. Wenn ein massereicher Planet in der Atmosphäre des sich ausdehnenden Riesen versinkt, wird er wohl durchaus zu einem bedeutenden Akteur. Durch die Wechselwirkung mit der Gasscheibe wird die Umlaufbahn des Planeten immer enger. Je näher er seinem Zentralstern kommt, desto mehr verwirbelt er das Gas in und fördert – wie ein Begleitstern – die Entwicklung eines bipolaren Nebels. Außerdem erzeugt die Schwerkraft des Planeten auf dem Stern pulsförmige Wellen. Schließlich stürzt der Planet in seinen Stern.

Ein Beispiel ist das 63 Lichtjahre ferne System von Beta Pictoris. „Wir halten es für einen Vorläufer eines elliptischen Planetarischen Nebels, wenn der Planet Beta Pictoris c in die Gashülle eintritt“, sagt Hegazi. Beta Pictoris c ist ein Riesenplanet: rund neun Mal so massereich wie Jupiter. Die Erde wäre hingegen zu klein, um in ferner Zukunft den Planetarischen Nebel um die Sonne zu beeinflussen. Dieser wird voraussichtlich kugelförmig sein (bild der wissenschaft 11/2000, „Wenn die Sonne die Erde frisst“).

Chemische Evolution

Planetarische Nebel ermöglichen es, den Beitrag der Roten Riesen für die chemische Evolution des Universums zu ermitteln. Dafür muss man das Licht des leuchtenden Gases in seine Spektralfarben zerlegen und darin die Signaturen der jeweiligen Elemente analysieren. Doch ganz so einfach ist es nicht. Der einstige Zentralstern besaß bereits bei seiner Entstehung eine bestimmte chemische Zusammensetzung, die sich in dem verbliebenen Weißen Zwerg später nicht mehr ablesen lässt. Deswegen suchen Astronomen in der Umgebung eines Planetarischen Nebels nach Sternen und unverbrauchten Gaswolken, deren chemische Zusammensetzung mutmaßlich der ursprünglichen des Zentralsterns entspricht.

„Ein Vergleich der einstigen chemischen Mischung mit derjenigen im Planetarischen Nebel heute gibt uns Aufschluss über die physikalischen Prozesse, die im Inneren des Sterns während seiner Kernfusion abliefen“, sagt Karen Kwitter. Sie hat sich bis zu ihrer kürzlichen Emeritierung am Williams College in Williamstown im US-Bundesstaat Massachusetts eingehend mit Planetarischen Nebeln beschäftigt.

Solche Untersuchungen sind mühsam. Sie haben mit wachsender Leistungsfähigkeit der Teleskope in jüngster Zeit ein immer schärferes Bild von der Rolle der Planetarischen Nebel gezeichnet. Lange Zeit galten massereiche explodierende Sterne, die Supernovae, als wichtigste Lieferanten der schweren Elemente. Doch das war ein Irrtum.

Alle Sterne mit einer Masse zwischen 0,8 und etwa 8 Sonnenmassen schleudern ein Großteil ihrer Materie als Planetarische Nebel ins Weltall. Während die kleinsten Sterne mehr als zehn Milliarden Jahre lang brennen, werden die massereichsten gerade einmal 20 Millionen Jahre alt. Die Anreicherung des Alls mit schweren Elementen zieht sich also über einen enorm großen Zeitraum hin. Sie spielt eine große Rolle für die kosmische Entwicklung. „Etwa die Hälfte allen Kohlenstoffs, ein Drittel des Fluors und zwei Drittel des Stickstoffs stammen von den Vorläufersternen Planetarischer Nebel“, sagt Karen Kwitter.

Hinzu kommen in geringeren Mengen Helium und Lithium. „Damit ist offensichtlich, welche Bedeutung die leichten und mittelschweren Sterne für die Synthese zweier grundlegender Elemente besitzen, die für fast alles Leben notwendig sind.“ Nur Sauerstoff – das dritte für uns lebenswichtige Element – liefern fast ausschließlich Supernovae.

All diese Stoffe entstehen direkt in den Fusionsreaktionen, bei denen leichte Elemente zu schwereren verschmelzen. Es kommt aber auch vor, dass Atomkerne herumfliegende Neutronen aufnehmen. Zerfallen die Kerne durch Aussenden eines Elektrons und eines Neutrinos in ein Proton, wandert das Element im Periodensystem einen Platz weiter. Durch den mehrfachen Neutroneneinfang werden so auch schwere Elemente wie Strontium, Blei oder Bismut aufgebaut. Dies geschieht vorwiegend in der Schale, in der Helium zu Kohlenstoff fusioniert, weil hierbei besonders viele Neutronen frei werden. Durch solche Ereignisse gelangen diese Substanzen ebenfalls an die Sternoberfläche und von dort aus in den Weltraum. Planetarische Nebel gehören auch hier zu den bedeutendsten Lieferanten.

Sterne zu Staub

Noch ein weiterer Aspekt ist für die kosmische Entwicklung bedeutsam: Sterne und Planeten entstehen in großen Staubwolken. „Wir schätzen, dass fast 90 Prozent des in das interstellare Medium in unserer Galaxie eingebrachten Staubs von den Vorläufersternen der Planetarischen Nebel produziert wird“, sagt Amanda Karakas von der Australian National University in Canberra. „Der Rest kommt von massereichen Sternen, die als Supernovae explodieren.“

Planetarische Nebel sind also weit mehr als nur anmutige „Kränze gestorbener Sterne“. Sie haben einen entscheidenden Anteil daran, dass das Universum nicht allein mit flüchtigem Wasserstoff und Helium erfüllt ist, sondern auch mit Stoffen, aus denen feste Körper wie Planeten und letztlich Lebewesen entstehen können.