Kosmische Nachzügler und Magnete

Für eine Übergangszeit bläht sich das Kollisionsprodukt auf und kontrahiert dann wieder, zeigen die Rechnungen. Rund 10.000 Jahre nach der Kollision hat der neue Stern alle Eigenschaften, die Astronomen von τ Scorpii gemessen haben.

Wiedergeburt als Magnetar?

Dazu gehört auch sein relativ starkes Magnetfeld, das mit spektroskopischen Methoden nachgewiesen wurde. Es macht solche Sterne zu etwas Besonderem: Sie könnten nämlich Vorläufer ganz anderer Objekte sein: der Magnetare. Diese rätselhaften Neutronensterne sind vermutlich die stärksten Magnete im Universum. Ihre monströsen Magnetfelder sind bis zu 100 Millionen Mal so stark wie jedes bislang künstlich erzeugte Feld.

Die Entwicklung von τ Scorpii könnte demnach in Millionen Jahren eine weitere spektakuläre Wende nehmen, wenn er seinen nuklearen Brennstoff aufgebraucht hat, sein Leben aushaucht und als Supernova explodiert. Kann der kollabierte Kern der Supernova dann als Magnetar wiedergeboren werden? Die im Januar 2023 in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society publizierte Studie eines Teams um Visnu Varma von der australischen Monash University, an der auch Schneider beteiligt war, erhärtet dieses Szenario zumindest teilweise.

Die Wissenschaftler simulierten die komplexen dreidimensionalen Vorgänge, die in einem Stern bei einer Supernova ablaufen. Sie betrachteten dabei zwei Varianten: einen eher schwachen und einen stärker magnetisierten Vorgängerstern, deren sonstige Eigenschaften beide Male denjenigen von τ Scorpii entsprachen. Es zeigte sich, dass durch das stärkere Magnetfeld die Sternexplosion sowohl schneller als auch heftiger ablief. Das Magnetfeld wirkte dabei als zusätzlicher Schub für die Neutrino-Heizung, die hauptsächlich die Explosion des Sterns antreibt. Durch den Kollaps der Zentralregion des Supernova-Sterns wird diese auf die Ausmaße von wenigen Kilometern komprimiert. Zugleich verstärkt sich das Magnetfeld um viele Größenordnungen – ein Effekt, der auch in Laborexperimenten modellhaft nachvollzogen wurde. (So hat ein Team um Shojiro Takeyama von der Universität Tokio 2018 mit 3,2 Megajoule an Energie ein enormes Magnetfeld von 1200 Tesla erzeugt.)

Als Relikt der Supernova ergibt die Rechnung einen Neutronenstern, der 1,5-mal so schwer ist wie die Sonne und dessen Magnetfeld auf seiner Oberfläche 20 Milliarden Tesla (200 Billionen Gauß) beträgt – allerdings mit fallender Tendenz am Ende der Simulation. Ob sich der simulierte Stern also tatsächliche zum Magnetar entwickelt, ist momentan noch unklar.

Und τ Scorpii? Im Prinzip sei er zum Magnetar befähigt, ist Schneider überzeugt. Ob der Stern allerdings nach den bis zur Supernova führenden weiteren Prozessen noch immer so magnetisch ist wie heute, das müssen weitere Studien zeigen. Zudem stellt sich die Frage, ob nicht andere Prozesse ebenfalls Magnetare bilden: etwa die Kollision von zwei Weißen Zwergsternen oder zwei Neutronensternen. Womöglich genügt auch schon der Zusammenprall unterschiedlich massereicher Mitglieder eines Sternenpaares.

Blaue Nachzügler

Der brachiale Crash der beiden stellaren Schwergewichte, den Schneider am Beginn von Paikauhale sieht, ist auch eine Erklärung, warum der Skorpionstern zu einer Klasse seltsamer Sterne gehört, die Blaue Nachzügler genannt werden. Sie sind typischerweise in Offenen Sternhaufen zu finden (bdw 8/2021, „Die verschollenen Schwestern“). Diese kompakten Ansammlungen von bis zu einigen Tausend Sternen sind durch ihre gemeinsame Schwerkraft aneinander gebunden. Nachzüglersterne darin sind keine Seltenheit. Eine Anfang 2023 publizierte Studie beziffert über 1600 davon in solchen Haufen.

Für τ Scorpii trifft dies heute allerdings nicht mehr zu. Wie Antares gehört er aber zu einer Untergruppe der Scorpius-Centaurus-Assoziation. Solche Sternassoziationen sind relativ locker gefügte Sternengruppen, deren Mitglieder sehr ähnliche Eigenbewegungen haben. Ihr Bewegungsmuster legt eine gemeinsame Vergangenheit in einem Offenen Sternhaufen nahe, der sich irgendwann aufgelöst hat.

Seit die Blauen Nachzügler Mitte des vergangenen Jahrhunderts entdeckt wurden, geben sie Rätsel auf. Sie erwecken nämlich den Anschein, jünger zu sein, als sie tatsächlich sind. Das fällt besonders bei Offenen Sternhaufen auf, in denen alle Sterne ungefähr gleich alt sein sollten. Aber die Nachzügler passen nicht ins Bild: Sie sind heller und heißer als die anderen Mitglieder des Haufens, was sie zudem blauer leuchten lässt. Eigentlich müssten sie wegen ihres Alters längst errötet oder gar verloschen sein. Was ist das Geheimnis ihrer vorgetäuschten Jugend?

Jungbrunnen für Vampir-Sterne

Schneider geht davon aus, dass die Abstammung aus einer Sternkollision die Antwort ist. „Die innere Uhr des Sterns, der aus der Kollision entstand, wurde zurückgesetzt.“ Wie im Paikauhale-Szenario stellt er sich als Ausgangspunkt zwei massereiche Hauptreihensterne vor. Solche Sterne bevölkern im Hertzsprung-Russell-Diagramm die Diagonale (bdw 1/2012, „Der Schlüssel zum Sternenhimmel“). Sie fusionieren wie die Sonne in ihren Zentren Wasserstoff zu Helium. Der übliche Weg wäre, dass sie sich zu Roten Riesensternen entwickeln, sobald ihr nuklearer Hauptbrennstoff, der Wasserstoff, knapp wird und sich im Sternzentrum zu viel Helium angesammelt hat. Dann verlagert sich die Kernfusion in eine Schale rund um den Kern, was zu einem starken Aufblähen des alternden Sterns führt.

Wenn aber die beiden Partner im Doppelsternsystem zuvor kollidieren, kann sich daraus ein neuer Stern bilden, in dem sich die Materie beider Vorgänger addiert. Damit hat das Kollisionsprodukt seinen Vorrat an Kernbrennstoff quasi neu aufgefüllt. Deshalb kann das Wasserstoffbrennen länger andauern, und die Entwicklung zum Roten Riesen wird verzögert. Dies würde auch erklären, warum Paikauhale nur halb so alt erscheint wie die Assoziation, der er angehört.

Kollisionslose Alternative

Allerdings gibt es zur Geburt der Blauen Nachzügler auch andere Hypothesen. Es könnte sein, dass sie in einem langsameren Prozess ganz ohne Kollision zur Welt kommen. In diesem Szenario ist ebenfalls ein Doppelsternsystem mit zwei unterschiedlich schweren Mitgliedern der Ausgangspunkt.

Wegen des Massenunterschieds verläuft ihre jeweilige Entwicklung in unterschiedlichem Tempo: Der schwerere Partner erschöpft seinen Brennstoffvorrat schneller, er wird zum Roten Riesen und dehnt sich aus. Wenn er dabei eine bestimmte Grenze überschreitet, die sogenannte Roche-Grenze, entreißt ihm sein masseärmerer Partner Materie. Der Riese gerät dadurch aus dem Gleichgewicht und expandiert noch mehr, was den Abfluss weiter anheizt.

Das kann zu einem Rollenwechsel führen, der den vormaligen Platzhirsch degradiert: Sein vampirhafter Begleiter ist nun als Blauer Nachzügler der schwerere des Paars und zwingt seinen ausgebluteten Partner, einen Weißen Zwergstern, dazu, ihn als Satellit zu umkreisen. Ein solches Beispiel hat das mittlerweile abgeschaltete NASA-Weltraumteleskop Kepler bereits 2010 aufgespürt.