Innere Rotation eines fernen Sterns aufgedeckt

Astronomen haben zum ersten Mal zweifelsfrei die innere Rotation eines sonnenähnlichen Sterns gemessen und die Neigung seiner Rotationsachse bestimmt. Verraten haben ihnen diese Informationen winzige Schwankungen in den Vibrationen des Sterns – eine Art Sternenbeben. Zudem konnten die Forscher auch das Rätsel um den Begleiter des Sterns HD52265 lösen: Obwohl er extrem groß ist, handelt es sich um einen Exoplanet und nicht wie zuvor gedacht um einen Braunen Zwerg.

In Sternen, die der Sonne ähneln, steigt ständig heißes Plasma im Innern auf, kühlt ab und sinkt wieder herab. Forscher sprechen von Konvektion. Dieser Vorgang erzeugt Druck- und Schallwellen, die im Inneren des Sterns eingeschlossen bleiben, aber dafür sorgen, dass der Stern wie eine Glocke vibriert. Die Asteroseismologie nutzt diese an der Oberfläche messbaren Schwingungen, um – neben anderen Eigenschaften – die Rotation im Inneren von Sternen zu bestimmen.

„Die Drehung des Sterns hinterlässt winzige Spuren in den Frequenzen, mit denen er schwingt”, erklärt Laurent Gizon, Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau. Druckwellen, die sich in Richtung der Rotationsbewegung ausbreiten sind schneller als solche, die sich in entgegengesetzte Richtung bewegen. Dies führt zu Unterschieden in den Schwingungsfrequenzen, die im hypothetischen Fall eines nicht-rotierenden Sterns nicht vorhanden wären. Die Sichtbarkeit der einzelnen Schwingungen hängt zudem vom Winkel ab, unter dem der Stern betrachtet wird.

117 Tage lang Blick auf nur einen Stern

Für ihre Studie nutzten die Forscher das Weltraumteleskops CoRoT, um den Stern HD52265genau unter die Lupe zu nehmen. Dieser Stern liegt mehr als 90 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Einhorn. Zwischen November 2008 und März 2009 richtete das Teleskop 117 Tage lang seinen Blick ohne Pause auf HD52265. Solch lange und ununterbrochenen Beobachtungszeiten sind entscheidend, um die Schwingungsfrequenzen eines Sterns mit der notwendigen Genauigkeit bestimmen zu können.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich der Stern HD52265 etwa 2,3 Mal so schnell wie die Sonne dreht und seine Drehachse um 30 Grad gegenüber der Verbindungslinie zur Erde geneigt ist. „Die asteroseismologischen Ergebnisse stimmen damit hervorragend mit denen anderer, unabhängiger Messungen überein“, betont Gizon. Eine dieser unabhängigen Methoden misst die Geschwindigkeit, mit der sich dunkle Sternflecken, auf der Oberfläche eines Sterns bewegen. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass im Fall des Sterns HD52265 die Rotationsgeschwindigkeit an der Oberfläche und die im Innern sehr ähnlich sind. Dies trifft auch auf die Sonne und anderen sonnenähnliche Sterne zu.

Brauner Zwerg oder Exoplanet?

Seit mehr als zehn Jahren ist zudem bekannt, dass ein zweiter Körper, genannt HD52265b, den Stern umkreist. „Da seine Masse jedoch nicht bekannt war, war unklar, ob er zu einer Klasse massearmer Sterne, so genannter Brauner Zwerge, zu rechnen ist oder ob es sich um einen Exoplaneten handelt“, erklärt Thorsten Stahn von der Universität Göttingen. Eine untere Grenze für die Masse von Stern HD52265b hatten Forscher bereits zuvor mit Hilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode bestimmt. Sie nutzten dafür aus, dass der Stern und sein Begleiter streng genommen um den gemeinsamen Massenschwerpunkt kreisen. Von der Erde aus betrachtet sieht es deshalb so aus, als „wackele“ der Stern leicht hin und her.

Die genaue Masse lässt sich jedoch nur bestimmen, wenn auch die Neigung der Bahnachse des Planeten bekannt ist. Mit Hilfe der Asteroseismologie lässt sich die Neigung der Drehachse des Sterns berechnen. Da in der Regel angenommen wird, dass beide Achsen dieselbe Neigung aufweisen, konnten die Forscher die untere Grenze für die Masse in die tatsächliche Masse umrechnen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass HD52265b 1,85 mal so schwer wie der Jupiter ist“, so Stahn. „Der Körper kann deshalb kein Brauner Zwerg sein.“

„Dies wirft die Frage auf: Wie konnte ein solch riesiger Planet in so geringer Entfernung zu einem Stern entstehen“, sagt Hannah Schunker vom MPS. „Die Neigung der Drehachse birgt zusätzliche Informationen über dieses System aus Stern und Planet. Diese könnten uns helfen zu entscheiden, welches Szenario für Entstehung und Evolution des Systems am wahrscheinlichsten ist.“ Zudem belegen die neuen Ergebnisse auf eindrucksvolle Weise das Potential der Asteroseismologie, die Geheimnisse des Innern von Sternen zu lüften und Exoplaneten zu charakterisieren, die sie umkreisen. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013; doi: 10.1073/pnas.1303291110)

(Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, 30.07.2013 – NPO)