Die X-Akten der Astronomie: Der Untote und seine Geister-Planeten

Gleich die allerersten entdeckten Exoplaneten geben bis heute große Rätsel auf: Sie wurden an Orten gefunden, wo sie längst vernichtet worden sein müssten.

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Von
  • Alderamin
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Dank immer besserer Technik, innovativen Ansätzen und internationaler Kooperation erlebt die Astronomie eine Blüte. Doch während viele Beobachtungen dabei helfen, Theorien zu verfeinern oder auszusortieren, gibt es auch immer wieder Entdeckungen, die einfach nicht zu passen scheinen. Mysteriöse Signale, mutmaßliche Verstöße gegen Naturgesetze und – noch – nicht zu erklärende Phänomene. In der Öffentlichkeit wird dann gerne darüber diskutiert, ob es sich um Spuren außerirdischer Intelligenz handelt, Wissenschaftler wissen, dass es am Ende fast immer eine natürliche Erklärung gibt. Aber überall wird die Fantasie angeregt.

In einer Artikelserie auf heise online werden wir in den kommenden Wochen einige solcher astronomischen Anomalien aus einer jüngst vorgestellten Sammlung vorstellen und erklären, warum alle Erklärungsversuche bislang an ihnen scheitern.

Die X-Akten der Astronomie

In der Astronomie gibt es immer wieder Beobachtungen, die erst einmal nicht zu erklären sind. Während einige dahinter gleich Außerirdische vermuten, erwarten sich andere neue Erkenntnisse über die Natur des Universums. Spannend sind sie allemal. heise online wirft einen Blick auf einige dieser bis dato nicht zu erklärenden Anomalien.

Können Planeten es überleben, wenn ihr Stern zur Supernova wird? Bei der Beantwortung dieser Frage hilft es, sich den Ablauf einer klassischen Supernova vor Augen zu rufen – die "Kernkollaps-Supernova". Im Zentrum massiver Sterne werden am Ende ihres Lebens in zunehmend kürzerer Folge immer schwerere Elemente fusioniert. Wenn für eine Kernreaktion nicht mehr genug Brennstoff vorhanden ist und ihr Strahlungsdruck nachlässt, drückt das Gewicht des Sterns sein Inneres zusammen und heizt es dabei auf, bis die nächsthöhere Fusionsstufe zündet, die den Stern mit ihrem Strahlungsdruck weiterhin stabilisiert.

Das Ende der Fahnenstange wird schließlich beim Eisen erreicht – die Fusion von Eisen setzt keine Energie mehr frei, sondern bindet im Gegenteil Energie und der stabilisierende Strahlungsdruck fällt somit plötzlich weg. Während bei Sternen bis unter 10 Sonnemassen der Kern von bis zu 1,4 Sonnenmassen durch den Entartungsdruck der Elektronen stabilisiert wird und als Weißer Zwerg endet, reicht der bei massiveren Sternen nicht mehr aus: Die Elektronen werden in die Atomkerne gedrückt und vereinigen sich unter Freisetzung von Unmengen an Neutrinos mit den Protonen zu Neutronen, so dass nichts als Neutronen von den Atomen übrig bleiben.

Die Neutronen nehmen wesentlich weniger Raum in Anspruch als die Eisenatome zuvor, und der Eisenkern von rund 10.000 km Durchmesser kollabiert ruckartig unter seinem Gewicht zu einem Ball aus Neutronen mit einem Durchmesser von 20-30 Kilometern – einem Neutronenstern. Sterne mit mehr als ungefähr 25 Sonnenmassen kollabieren zu einem Schwarzen Loch, aber um die soll es hier nicht gehen.

Zurück zum gerade entstandenen Neutronenstern: Die in dem entstandenen Hohlraum haltlos auf ihn stürzende Sternenmaterie wird durch die zurücklaufende Stoßwelle so stark komprimiert und erhitzt, dass ein großer Teil des Sterns thermonuklear zündet – eine gigantische Wasserstoffbombe. Bei einer Supernova setzt ein Stern binnen Sekunden eine Energie von 1044 Wattsekunden frei. Das ist ungefähr die Energiemenge, die unsere Sonne bei aktueller Leuchtkraft innerhalb von 10 Milliarden Jahren produziert.

Der Physiker Randall Monroe hat auf seiner xkcd-Seite ausgerechnet, dass die Helligkeit einer Supernova in der Entfernung der Erde zur Sonne rund eine Milliarde mal heller ist, als eine Wasserstoffbombe, die direkt vor dem eigenen Auge explodiert – was daran liegt, dass bei einer Wasserstoffbombe nur ein paar Kilogramm Wasserstoff fusionieren, während es bei der Supernova 2 bis 5 * 1031 Kilogramm sind. Selbst nach der Explosion leuchtet der Stern noch wochenlang mit der zehnmilliardenfachen Leuchtkraft der Sonne, weil die ausgeworfenen Fusionsprodukte einige zehntausend Erdmassen an radioaktivem Nickel-56 enthalten, das über Kobalt-56 zu Eisen-56 zerfällt.

Die Spiralgalaxie NGC 1288 aufgenommen mit dem Very Large Telescope der ESO: Alle weißen, scharf begrenzten Punkte im Bild sind Vordergrundsterne der Milchstraße – bis auf jenen links vom Zentrum der Galaxie. Es handelt sich um die Supernova SN 2006dr, die am 17. Juni 2006 in der 200 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie aufleuchtete. Sie war vom Typ Ia.

(Bild: ESO, CC BY 4.0)

In Folge der Explosion verliert der Vorgängerstern (Progenitor) einen großen Teil seiner Masse, die mit tausenden Kilometern pro Sekunde ins All geschleudert wird. Oft erfolgt die Explosion asymmetrisch und der verbliebene Neutronenstern erhält durch den gerichteten Rückstoß einen Kick von bis zu hunderten Kilometern pro Sekunde.

Könnten Planeten so etwas überleben? Sicher nicht. Wenn sie schon nicht aufgeschmolzen und weggeblasen werden, verliert der Stern mit seiner ausgeworfenen Materie einen Großteil seiner Masse – die ehemals mehr als zehn Sonnenmassen hinterlassen einen Neutronenstern von 1,4 bis ungefähr 2,8 Sonnenmassen, dessen Fluchtgeschwindigkeit kleiner als die Kreisbahngeschwindigkeit des Vorgängersterns ist. Somit müssten mutmaßliche Planetenreste in alle Richtungen davonfliegen. Das dachte man jedenfalls noch vor 30 Jahren.

Schnitt – wir befinden uns Anfang der 1990er. Bisher wurde noch kein Planet außerhalb des Sonnensystems entdeckt. Man war technisch erstmals so weit, Exoplaneten aufspüren zu können, und hoffte, sie mittels hochauflösender Echelle-Spektrographen, der neuen CCD-Sensortechnik und computergestützter Bildverarbeitung in den Spektrallinien eines Fixsterns nachzuweisen. Durch die Masse der umlaufenden Planeten würde der Stern in eine Taumelbewegung um den Schwerpunkt des Systems, das Baryzentrum, gezwungen, die sich als winzige periodische Verschiebung seiner Spektrallinien aufgrund des Dopplereffekts äußern sollte.

Doch bevor den im vergangenen Jahr mit dem Nobelpreis ausgezeichneten schweizerischen Astronomen Michel Mayor und Didier Queloz 1995 die erste Entdeckung eines Exoplaneten um einen gewöhnlichen Stern gelang, stürmten ungeladene Gäste die Premierenbühne und sorgten für lange Gesichter und große Ratlosigkeit. Das polnisch-kanadische Radioastronomen-Team Alexander Wolszczan und Dale Frail hatte schon am 9. Januar 1992 in der Fachzeitschrift Nature vermeldet, ihnen sei mithilfe des 300 Meter durchmessenden Arecibo-Radioteleskops der Nachweis gelungen, dass der am 2. Februar 1990 von ihnen entdeckte, 2300 Lichtjahre entfernte Pulsar PSR B1257+12 im Sternbild Jungfrau von mindestens zwei Exoplaneten umkreist werde.

Pulsare – 1967 von Jocelyn Bell entdeckt, wofür ihr Doktorvater 1974 den Nobelpreis einstrich – wiederum sind Neutronensterne, die mit der Präzision einer Atomuhr regelmäßige Pulse von Radiowellen aussenden. Sie haben ein starkes Magnetfeld, dessen Achse gegen die Rotationsachse verkippt ist und welches geladene Teilchen in ihrer Umgebung beschleunigt. Beschleunigte Ladung produziert Radiowellen. Jedes Mal, wenn in Folge der Rotation die Magnetachse kurz die Sichtlinie zur Erde überstreicht, trifft uns diese Radiostrahlung, ähnlich wie der kreisende Scheinwerferkegel eines Leuchtturms periodisch den Beobachter trifft.

Normalerweise liegt die Pulsrate in der Größenordnung von einer Sekunde oder darunter. Manche Neutronensterne rotieren jedoch extrem schnell – bis hinunter zu Millisekunden. Der schnellste bekannte rotiert 716-mal pro Sekunde und sendet folglich alle 1,4 Millisekunden einen Puls in Richtung Erde. Es gilt als gesichert, dass sich die Millisekundenpulsare nicht alleine aufgrund schneller Rotation ihres Progenitors so schnell drehen, sondern dass sie von einem Begleitstern übergeflossene Materie aufgefangen haben.

Diese Materie sammelt sich zunächst in einer rotierenden Akkretionsscheibe um den Pulsar, wo sie durch Reibung, Aufheizung und Strahlung Energie abbauen muss, um allmählich auf den Neutronenstern hinunter spiralen zu können. Der Drehimpuls bleibt dabei erhalten und geht auf den Neutronenstern über, der sich zunehmend schneller in Richtung des einfallenden Materials dreht. Auf diese Weise wurden Millisekundenpulsare zu immer schneller Rotation hochgetrieben. Auch PSR B1257+12 ist so ein Millisekundenpulsar, der 160,8 Mal pro Sekunde seine Pulse in Richtung Erde schickt. Würde man seine Pulse hörbar machen, würde er brummen wie ein bassiger Brummkreisel.

Wolszczan und Frail machten sich die präzisen Pulse zunutze, um die Signatur der Planeten in ihnen zu orten. Wie bei gewöhnlichen Sternen zwingen die umlaufenden Planeten dem Pulsar eine Taumelbewegung um das Baryzentrum auf. Diese verrät sich auch hier durch den Dopplereffekt: Statt schaukelnder Spektrallinien maßen Wolszczan und Frail, wie sich die Pulse des Pulsars geringfügig verlangsamten, wenn er sich auf seiner Bahn von der Erde entfernte, und beschleunigten, wenn er sich ihr wieder näherte, das heißt die Pulsfrequenz wurde moduliert.

Eine genauere Analyse der Modulation lieferte die überlagerten Schwingungen zweier Planeten, aus deren Periode die Umlaufzeiten und aus deren Amplituden die jeweilige Masse der Planeten im Verhältnis zu derjenigen des Pulsars folgte. Die Symmetrie der Schwingungen ließ auf fast perfekt kreisförmige Umlaufbahnen folgern. Demnach hatten die Planeten (nach heutigen Zahlen) 4,13 und 3,82 Erdmassen und ihre Abstände vom Pulsar betrugen 0,36 AE (Astronomische Einheit, also die mittlere Entfernung der Erde von der Sonne) und 0,46 AE. Zum Vergleich: Merkur, der innerste Planet der Sonne, umkreist sie in 0,39 AE mittlerer Entfernung. Die Umlaufzeiten der Pulsarplaneten lagen bei 66,5 und 98,2 Erdtagen.