Sternengigant sprengt bisherige Massegrenze

In der Großen Magellanschen Wolke entdecken Astronomen den bislang massereichsten Stern R136a1.

Größenvergleich (künstlerische Darstellung)
Größenvergleich (künstlerische Darstellung)

Sheffield (England) / Potsdam - Ein Forscherteam um Paul A. Crowther von der University of Sheffield hat zwei junge Sternhaufen namens NGC 3603 und RMC 136a mit dem Very Large Telescope in Chile spektroskopisch untersucht. In den Zentren der Sternhaufen fanden sie einige sehr massereiche Sterne, darunter den neuen Rekordhalter R136a1. Derzeit beträgt seine Masse das 265-fache der Sonne. Aber Sternentwicklungsmodelle bescheinigen ihm, dass er bei seiner Geburt sogar 320 Sonnenmassen hatte. Die Differenz hat er in seiner bisherigen Lebenszeit von nur einer Million Jahren durch starke Sternwinde verloren. Er ist zehn Mal heißer, 30 Mal größer und zehn Millionen Mal heller als die Sonne.

Bis heute war man davon ausgegangen, dass es keine Sterne mit mehr als 150 Sonnenmassen geben kann, da sie sonst instabil würden. "Unsere Ergebnisse bestätigen die gängige Ansicht, dass es eine Obergrenze für die Masse von Sternen gibt. Allerdings hat sich der Zahlenwert für diese Obergrenze um einen Faktor zwei auf etwa 300 Sonnenmassen nach oben verschoben", erläutert Teammitglied Olivier Schnurr vom Astrophysikalischen Institut in Potsdam.

Der erste untersuchte Sternhaufen NGC 3602 befindet sich in einer Entfernung von 22.000 Lichtjahren im Sternbild "Kiel des Schiffs". Es ist ein sehr aktives Sternentstehungsgebiet und bekannt für seine große Häufung an Riesensternen. Hier fanden die Forscher mehrere Sterne mit Oberflächentemperaturen von 40.000 Grad Celsius, die millionenfach heller strahlen als unsere Sonne. Zu Beginn ihres Lebens hatten sie den mehr als 150 Sonnenmassen. Leider kann die Masse eines Sterns nur indirekt über seine Leuchtkraft bestimmt werden. In dem verwendeten Zusammenhang zwischen Masse und Helligkeit können sich durchaus Fehler einschleichen. Den Forschern ist es aber gelungen ein Doppelsternsystem, also zwei Sterne, die sich gegenseitig umkreisen, in NGC 3602 aufzuspüren. In diesem seltenen Fall ist eine direkte Bestimmung der Masse aus der Umlaufbewegung möglich und damit auch eine Überprüfung der Modelle, mit denen die Masse der anderen Sterne abgeschätzt wurde.

RMC 136a ist ebenfalls ein Sternhaufen aus sehr jungen massereichen und heißen Sternen. Er befindet sich aber nicht mehr in der Milchstraße sondern in 165.000 Lichtjahren Entfernung in unserer kleinen Nachbargalaxie, der Großen Magellanschen Wolke - genauer im Tarantelnebel im Sternbild Schwertfisch. Hier fanden die Astronomen vier Sterne mit mehr als 150 Sonnenmassen, darunter auch R136a1. Verglichen mit insgesamt ungefähr 100.000 Sternen ist das nur ein winziger Bruchteil. Allerdings sind diese vier Sterne für die Hälfte der abströmenden Sternwinde und der Energie des ganzen Sternhaufens verantwortlich.

Monstersterne mit mehr als 150 Sonnenmassen sind sehr selten, weil sie sich nur in Sternhaufen bilden können, die sehr dicht gepackt und sehr massereich sind. Laut Crowther müssen die Haufen mindestens 10.000 Sonnenmassen besitzen und höchstens zwei Millionen Jahre alt sein. In der Milchstraße und ihren Satellitengalaxien gibt es nur wenige solcher Haufen. Aber in größeren Entfernungen lassen sich Sternhaufen mit heutigen Teleskopen nicht in Einzelsterne auflösen, sondern erscheinen als ein heller Fleck.

Ein anderer Grund für die Seltenheit der Gigantensterne ist ihre sehr kurze Lebenszeit. Anders als man vielleicht vermuten könnte, verbrauchen Sterne umso schneller ihren Brennstoffvorrat, je mehr Masse sie haben. Die größten "sterben" schon nach drei Millionen Jahren. Unsere Sonne hat zum Vergleich eine Lebenserwartung von elf Milliarden Jahren. Es ist also unmöglich, dass Monstersterne von Planeten umkreist werden, weil die Planetenformung länger dauert als die gesamte Lebenszeit dieser Sterne.

Die Monstersterne werfen neue Fragen nach ihrem Ursprung auf. "Entweder sie sind tatsächlich in dieser Größe entstanden, oder aber sie haben sich aus mehreren kleinen Sternen gebildet", erklärt Crowther. Aber auch ihr Ende ist rätselhaft. Während übliche schwere Sterne mit der acht bis zehnfachen Masse der Sonne ihr Leben mit einer Supernovaexplosion beenden, als deren Rest ein Neutronenstern oder ein schwarzes Loch verbleibt, könnte bei Monstersternen auch eine sogenannte Paarinstabilitäts-Supernova auftreten. Bei dieser extrem hellen Explosion, in deren Verlauf Antimaterie produziert wird, gibt es keinen Restkörper. Aber sie gibt etwa zehn Sonnenmassen an Eisen an die Umgebung ab. Einige Beobachtungen der letzten Jahre sind Kandidaten für diese Art von Supernovaexplosion.

Um noch mehr solcher Sternengiganten zu finden, werden bessere Teleskope nötig sein, die auch die Zentren von weiter entfernten Sternhaufen auflösen können. Wenn sich dabei herausstellt, dass es die Anzahl der supermassereichen Sterne bislang unterschätzt wurde, hat das weitreichende Konsequenzen für die Berechunungen von Galaxienentwicklung. Denn das Licht, das wir von entfernten Galaxien beobachten, könnte durch deutlich weniger Sterne produziert worden sein, die dafür aber größer und heller sind.