„Der Stern ist kugelförmiger als erwartet“

Aufgrund ihrer großen Entfernung erscheinen Sterne zumeist als punktförmige Lichtquellen. Ihre Form zu bestimmen, ist daher eine Herausforderung – könnte aber wichtige Aufschlüsse über ihren Aufbau und die Vorgänge in ihrem Inneren liefern. Wissenschaftler haben nun erstmals die Schwingungen eines Sterns genutzt, um dessen Form präzise zu vermessen. Durch diese sogenannte Asteroseismologie stellte sich der Stern Kepler 11145123 als das bislang rundeste, natürlich vorkommende Objekt im Universum heraus. Über diesen Fund berichtet das Forscherteam nun im Fachmagazin „Science Advances“. Welt der Physik sprach mit dem beteiligten Wissenschaftler Laurent Gizon vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen.

Welt der Physik: Sind Sterne kugelförmig?

Laurent Gizon: Nein, in der Regel nicht. Da der Stern rotiert, ist er an den Polen etwas abgeflacht, das liegt an der Zentrifugalkraft. Das gilt auch für jedes andere Objekt, das rotiert: Die Erde ist beispielsweise um etwa 21 Kilometer abgeflacht, wenn man den Radius am Äquator mit dem Radius an den Polen vergleicht. Das gilt auch für die Sonne, die sich einmal alle 27 Tage um sich selbst dreht. Ihr Radius am Äquator ist rund zehn Kilometer größer als ihr Radius an den Polen. Es gibt aber auch andere mögliche Kräfte, die die Form eines Sterns verändern können, beispielsweise magnetische Felder.

Wie haben Wissenschaftler bislang die Form eines Sterns bestimmt?

Porträt von Laurent Gizon
Laurent Gizon vom Max-Planck-Insitut für Sonnensystemforschung

Die traditionelle Methode dafür ist optische Interferometrie im infraroten oder optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Dabei kombiniert man das Licht von verschiedenen Teleskopen und kann über die Unterschiede in seinem Verlauf auf die Form des Sterns schließen. Aber das ist eine sehr aufwendige Methode, die nicht sehr präzise ist. Bei großen Sternen, die sehr nahe sind, können wir ihre Form direkt räumlich auflösen. Das ist zwar nur für wenige Sterne möglich, aber so konnte man bereits in der Vergangenheit die Deformation von sehr schnell rotierenden Sternen bestimmen. Je schneller sie rotieren, desto abgeflachter sind sie.

Sie haben eine neue Methode eingesetzt. Können Sie diese kurz erläutern?

Wir haben Methoden der Asteroseismologie angewendet. Dafür muss man zunächst wissen, dass Sterne schwingen, sie pulsieren. Diese Schwingungen werden von der Konvektion in den oberflächennahen Schichten des Sterns erzeugt – bei den Wellen handelt es sich um Schallwellen, oder Druckwellen. Die Helligkeit des Sterns hängt von diesen Wellen ab, sie lassen den Stern pulsieren und äußern sich als verschiedene sinusförmige Schwankungen in seiner Helligkeit. Es kommt dabei zu einer Überlagerung von unterschiedlichen sinusförmigen Variationen in der Helligkeit des Sterns. Indem ein Teleskop die winzigen Helligkeitsschwankungen des Sterns genau vermisst, können wir in der Analyse die einzelnen Schwingungen herausfinden.

Wie kann man anhand dieser Schwingungen auf die Form des Sterns schließen?

Ein Stern wird von zahlreichen solcher Schwingungen durchlaufen, von denen jede von der spezifischen Region innerhalb des Sterns abhängt, in der sie erzeugt wird. Deshalb kann man die unterschiedlichen Schwingungsmoden als eine Art Sensor für unterschiedliche Regionen im Sterninneren betrachten. In diesem Fall basierte unsere Idee darauf, dass unterschiedliche Schwingungen Informationen über unterschiedliche Breitengrade des Sterns liefern können. Der Vergleich der unterschiedlichen Schwingungen aus unterschiedlichen Breitengraden liefert dann Aufschlüsse darüber, ob der Stern kugelförmig ist – oder verlängert oder abgeflacht.

Was war das Ergebnis Ihrer Untersuchung?

Wir haben die Schwingungen eines Sterns namens Kepler 11145123 untersucht, der etwa 5000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist und dessen Radius 2,24 Sonnenradien beträgt. Für diesen Stern gab es einen charakteristischen Unterschied in den Schwingungen, der sehr signifikant war und darauf hindeutet, dass er abgeflacht ist – aber nicht so stark, wie man das eigentlich von einem solchen Stern erwartet, der sich einmal alle hundert Tage um sich selbst dreht. Der Unterschied in den Radien an seinem Äquator und den Polen beträgt lediglich drei Kilometer. Das ist eine unglaublich genaue Messung! Wir können das so genau messen, weil das Weltraumteleskop Kepler die Helligkeitsschwankungen so hochpräzise vermessen konnte.

Die Illustration zeigt den Vergleich zwischen Kepler 11145123 und der Sonne. Kepler 11145123 ist größer als die Sonne, und leuchtet blauer, während die Sonne links daneben als kleiner und gelblich erscheint.
Vergleich zwischen Kepler 11145123 und der Sonne

Warum ist der Stern runder als erwartet?

Es muss andere Kräfte geben, die den Stern über seine Eigenrotation hinaus verformen. Wir haben alle Faktoren in Betracht gezogen, die uns eingefallen sind. Letztendlich denken wir, dass das sehr schwache Magnetfeld dieses Sterns seine Form beeinflusst, denn die Wellen spüren die Magnetfelder in der Sternatmosphäre. Dafür spricht auch, dass genau das mit der Sonne passiert: Die Schwingungen der Sonne verändern sich mit der Zeit, weil es Sonnenflecken gibt. Wenn die Sonne magnetisch sehr ruhig ist, ist sie genau so abgeflacht, wie man es aufgrund der Rotation erwarten würde. Wird die Sonne aktiver, gibt es mehr Sonnenflecken, die die Form der Sonne verändern.

Kann man diese Methode auch bei anderen Sternen anwenden, nachdem Sie jetzt gezeigt haben, dass sie funktioniert?

Ja, wir können sie bei ähnlichen Sternen anwenden. Die Daten für diese Untersuchung haben wir aus den Messungen des Kepler-Weltraumteleskops gewonnen, dessen Hauptziel nicht Asteroseismologie war, sondern das Aufspüren von Exoplaneten. Die Asteroseismologie war hier quasi nur eine zusätzliche Mission, die man quasi kostenlos dazubekommen hat. Aber in Zukunft werden Missionen zum Aufspüren von Exoplaneten dezidiert auch asteroseismologische Forschungsziele beinhalten, beispielsweise die PLATO-Mission der Europäischen Weltraumagentur ESA. PLATO wird Hunderttausende Sterne untersuchen, um Exoplaneten zu finden, aber wir können mit einem Großteil dieser Sterne auch Asteroseismologie betreiben.