WEISSE ZWERGE
Weiße Zwerge mit Kohlenstoff-Atmosphäre
von Stefan Deiters
astronews.com
23. November 2007

Astronomen haben eine Reihe von Weißen Zwergsternen entdeckt, die offenbar eine Atmosphäre aus reinem Kohlenstoff haben. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte es sich bei diesen ausgebrannten Sternen um die Überreste von massereichen Sonnen handeln, die aber etwas zu wenig Masse hatten, um als Supernova zu explodieren.

So stellt sich ein Künstler den Stern H1504+65 - betrachtet aus der Entfernung der Erde von der Sonne - vor. Dieser heiße Weiße Zwerg könnte sich eventuell einmal zu einem Weißen Zwerg mit Kohlenstoff-Atmosphäre entwickeln. Bild: Chandra / RAS / University of Leicester

Als Weiße Zwergsterne bezeichnen Astronomen die glühenden Überreste eines Sterns. Auch unsere Sonne wird einmal als ein Weißer Zwerg enden. Die genaue Zusammensetzung dieser Objekte hängt auch von der Masse und Entwicklungsgeschichte des Vorgängersterns ab und welche Elemente in seinem Inneren während seines nuklearen Lebens fusioniert worden sind.

Wenn ein Stern Helium verbrennt, entsteht eine "Asche" aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Ist der Brennstoff verbraucht, bleibt ein kompaktes und zunächst glühend heißes Objekt zurück, in dem die Masse der Sonne etwa auf Erdgröße komprimiert ist. Astronomen glauben, dass die meisten dieser Weißen Zwerge einen Kern aus Kohlenstoff und Sauerstoff besitzen, der allerdings vor unseren Blicken durch eine Schicht - oder Atmosphäre - aus Wasserstoff und Helium verborgen ist.

Weiße Zwerge mit einer Atmosphäre aus reinem Kohlenstoff zu finden, hatten die Astronomen nicht erwartet - doch genau dies ist geschehen: "Wir haben Sterne entdeckt, in deren Atmosphäre es keine Spuren von Wasserstoff oder Helium gibt", erläutert Patrick Dufour vom Arizona Steward Observatory. "Wir könnten hier den nackten Kern des Weißen Zwergs sehen. Damit hätten wir ein Fenster in den nuklearen Brennofen des Sterns und würden direkt die Asche der Fusionsreaktionen sehen."

Die Sterne, über deren Entdeckung Dufour, Professor James Liebert von der University of Arizona und weitere Kollegen in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature berichten, entdeckten die Wissenschaftler unter insgesamt 10.000 neuen Weißen Zwergen, die im Sloan Digital Sky Survey (SDSS) aufgespürt worden waren. Einige Dutzend von diesen Neuentdeckungen klassifizierte Liebert 2003 als sogenannte DQ-Weiße Zwerge. Beobachtet man sie im optischen Bereich des Lichtes, sieht man hauptsächlich Kohlenstoff und Helium, so dass die Astronomen annehmen, dass Kohlenstoff aus dem Kohlenstoff-Sauerstoff-Kern in die Helium-Schicht gemischt wurde.

Im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Université de Montréal hatte Dufour ein Modell zur Analyse der Atmosphäre von relativ kalten DQ-Weißen Zwergen entwickelt und bei Beginn seiner Arbeit am Steward Observatory im Januar diese Modelle auch für heißere DQ-Weiße Zwerge angepasst. "Als ich mit der Analyse der heißeren DQ-Sterne begann, dachte ich zunächst, dass es sich um Helium-reiche Sterne mit Spuren von Kohlenstoff handelt, genau wie es bei den kühleren Exemplaren der Fall war", erinnert sich Dufour. "Allerdings stimmten die Ergebnisse nicht mit den Beobachtungsdaten des SDSS überein - selbst wenn ich den Anteil des Kohlenstoffs vergrößerte."

Im Mai 2007 entschloss sich Dufour dann zu einem radikalen Schritt: "Aus purer Verzweiflung habe ich ein Modell mit einer reinen Kohlenstoff-Atmosphäre ausprobiert. Und die Daten passten perfekt. Mit einer reinen Kohlenstoff-Atmosphäre wurde das Spektrum exakt so vom Modell reproduziert, wie es beobachtet wurde. Niemals zuvor war eine reine Kohlenstoff-Atmosphäre gerechnet worden, weil niemand geglaubt hat, dass es so etwas gibt. Wir waren alle überrascht und begeistert."

Inzwischen haben Dufour und seine Kollegen acht der insgesamt 200 DQ-Sterne als Weiße Zwerge mit Kohlenstoff-dominierter Atmosphäre identifiziert. Jetzt rätseln sie, warum sich diese Sterne nur unter den sehr heißen Weißen Zwergen finden lassen: "Sie sind zu heiß, um sie mit dem Standard-Vermischungsmodell erklären zu können, es muss also eine andere Lösung geben."

Vielleicht liefert der 1986 entdeckte Stern H1504+65 eine Erklärung, über den astronews.com auch schon berichtet hat. Der Stern ist etwa zehn Mal heißer, als einer der Weißen Zwerge mit Kohlenstoff-Atmosphäre und hat irgendwie seine Wasserstoffhülle verloren, so dass man bei ihm praktisch - von einigen Helium-Spuren abgesehen - einen reinen Kohlenstoff-Sauerstoff-Kern vor sich hat.

"Wir glauben, dass wenn ein Stern wie H1504+65 abkühlt, er eventuell zu einem reinen Kohlenstoff-Stern werden könnte", erläutert Dufour. Wenn der recht massereiche Stern sich abkühlt, würden Kohlenstoff, Sauerstoff und die Helium-Spuren getrennt. Über einer bestimmten Temperatur würde das Helium nach oben steigen und eine dünne Helium-Schicht bilden, die den Stern von außen als Weißen Zwerg mit einer Helium-Atmosphäre erscheinen lassen würde.

Doch im Temperaturbereich, in dem Dufour die DQ-Sterne analysiert hat, könnte es zu einer Vermischung mit dem Kohlenstoff kommen. Der Sauerstoff könnte ins Zentrum des Sterns abgesunken sein. Modelle von Sternen mit einer Masse zwischen neun und elf Sonnenmassen könnten, so die Wissenschaftler,  diese ungewöhnlichen Kohlenstoffsterne erklären.

Modelle von 1999 sagen voraus, dass Sterne mit der neun oder zehnfachen Masse als Weißen Zwerge enden würden und einen Sauerstoff-Magnesium-Neon-Kern mit einer Kohlenstoff-Sauerstoff-Atmosphäre hätten. Massereichere Sterne würden dann als Supernova explodieren. Allerdings ist die genaue Grenze, wann ein Stern zur Supernova wird, recht unsicher: Sie kann irgendwo zwischen der acht und elffachen Masse der Sonne liegen. "Wir wissen nicht, ob diese Sternen mit Kohlenstoff-Atmosphäre von einem Stern stammen, der einmal die neunfache oder aber die zehnfache Masse der Sonne hatte, aber genau das ist die entscheidende Frage", so Liebert.

Neue Beobachtungen der ungewöhnlichen Weißen Zwerge sollen nun weitere Informationen über diese Objekte liefern und vielleicht auch klären helfen, wo die Grenze liegt, ab der ein Stern als Supernova explodiert.