Das Rätsel der Sternentstehung

Gewaltige Gas- und Staubwolken beginnen irgendwann sich zu drehen, zerfallen in einzelne Unterwolken und bilden schließlich Tausende von Sternen. Soweit das grobe Bild – die Details aber bleiben rätselhaft.

Die Dunkelwolke Barnard 68

In der Milchstraße und in den beiden recht kleinen Begleitgalaxien, den Magellanschen Wolken, lassen sich viele dunkle Gas- und Staubwolken erkennen. Monica Rubio, Astronomin an der Universidad de Chile in Santiago, erforscht seit Langem diese Wolken: „Viele Jahre waren diese dunklen Flecken in unserer Milchstraße und in anderen Galaxien sehr rätselhaft. Aber jetzt wissen wir, dass genau in diesen Wolken sehr viel Material für neue Sterne liegt. In diesen dunklen Wolken entstehen viele neue Sterne. Eine typische Riesenmolekülwolke hat zwischen zehntausend und einer Million Sonnenmassen.“

In solchen gewaltigen Gas- und Staubwolken entstehen Tausende von Sternen. Wie genau das abläuft, ist bislang allerdings unbekannt: „Wenn ein sehr massereicher Stern entstanden ist, reißt er die Molekülwolke recht schnell auseinander. Seine Strahlung heizt das umgebende Gas auf und bläst die Wolke geradezu weg. Dann sehen wir den Stern auch in normalen Teleskopen. Dank der Infrarot- und Radioteleskope wissen wir jetzt aber auch, was mit diesen Sternen vorher passiert, wie sie entstehen und wie sie sich entwickeln.“

Viel oder wenig Sternmasse?

Monica Rubio hat mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte tief in einige Riesenmolekülwolken geblickt und dort Sterne unmittelbar nach deren Entstehung beobachtet. Das VLT verfügt über leistungsstarke Infrarotkameras und erfasst so auch die Wärmestrahlung himmlischer Objekte. Die Astronomin interessiert vor allem, wie viele Sterne mit welcher Masse entstehen. Denn sind erst einmal die großen Exemplare entstanden, kommt die Sternentstehung in den Wolken innerhalb einiger hunderttausend Jahre zum Erliegen.

Wie entstehen dann aber die vielen kleineren Sterne, ähnlich der Sonne? „Wir erforschen, ob es einen Zusammenhang zwischen den Eigenschaften der Molekülwolken und der Art der entstehenden Sternen gibt. Offenbar müssen die Wolken wirklich riesig sein, um viele massereiche Sterne zu bilden. Allerdings sehen wir dort auch leichtere Sterne. Sind die schon vorher entstanden? Beeinflussen sich also die unterschiedlichen Sterne gegenseitig? Wieso finden wir auch Gegenden, in denen es keine massereichen Sterne gibt, in denen aber viele massearme entstehen?“

Monica Rubio und ihre Kollegen rätseln, welche Laune der Natur in den Molekülwolken die Massen der entstehenden Sterne steuert. Eine für uns im doppelten Sinne lebenswichtige Frage: Denn zum einen verdanken wir den enorm massereichen Sternen die meisten chemischen Elemente in unserem Körper, zum anderen ist Leben nur auf Planeten von massearmen und damit langlebigen Sternen möglich.

ALMA

Um zu verstehen, wie sich beide Gruppen gemeinsam aus den Riesenmolekülwolken bilden, muss der Blick in noch frühere, bis heute unbeobachtbare Stadien der Sternentwicklung gehen. Ab etwa dem Jahr 2006 soll das neue Radioteleskop ALMA tief in gerade zusammenfallende Wolken gucken. Dieses Instrument entsteht derzeit auf einem 5000 Meter über dem Meeresspiegel liegenden Hochplateau in der Atacamawüste in Chile.

„Sternfabrik“ Orionnebel

Bis ALMA endlich zum Einsatz kommt, müssen sich die Forscher mit dem begnügen, was heute schon zu beobachten ist. Derzeit läuft ein groß angelegtes Beobachtungsprogramm des Orionnebels. Das Sternbild Orion mit seinen markanten drei Gürtelsternen ist nicht nur für Laien sehr schön, auch für professionelle Astronomen ist diese Himmelsgegend von großem Interesse. Denn der Nebel im Schwert des Orion ist eines der aktivsten Sternentstehungsgebiete in der ganzen Milchstraße: Mit einer Entfernung von 1500 Lichtjahren liegt es astronomisch gesehen geradezu vor der Haustür.

Der Orion-Nebel

In den vergangenen zehn Millionen Jahren sind dort bereits Zehntausende von Sternen entstanden – und die größten Sterne sind auch schon als Supernovae explodiert. Der Orionnebel ist geradezu ein Prototyp für eine „Sternfabrik“. Die meisten Sterne in der Milchstraße sind in solchen Gebieten entstanden. Sterne entstehen nicht allein oder nur als Doppelstern, sondern in Sternhaufen, oft gemeinsam mit Tausenden von anderen Sternen in einem sehr kleinen Gebiet. Erst später lösen sich diese Haufen auf.

Zum Auftakt der großen Beobachtungskampagne hat ein Forscherteam mit dem VLT das bisher detailreichste Bild des Orionnebels aufgenommen. In einem Bereich mit einem Durchmesser von rund drei Lichtjahren – das ist weniger als der Abstand der Sonne vom nächsten Stern – befinden sich mitten im Orionnebel Tausende junger, gerade einmal etwa eine Million Jahre alter Sterne, freut sich Mark McCaughrean vom Astrophysikalischen Institut in Potsdam: „Die meisten dieser Sterne sind jetzt im optischen Bereich oder im Infrarotbereich zu beobachten. Aber im Hintergrund gibt es noch neue Sterne. Sie sind nur 100.000 Jahre oder vielleicht sogar nur 10.000 Jahre alt. Sie sind auf unseren Aufnahmen sehr rot, unsichtbar im optischen Bereich und fast unsichtbar im Infrarotbereich. Wir wollen wissen, wie die Sterne entstehen. Das ist nicht nur die Frage von einem Stern, sondern eine Frage, wie ganze Familien oder Systeme von Sternen entstehen. Wir können auf unseren Aufnahmen ein paar sehr helle und sehr massereiche Sterne erkennen – die sind vielleicht zehn- oder zwanzigmal größer als unsere Sonne. Aber da gibt es Tausende von schwächeren Sternen, die sind sehr massearm und haben vielleicht nur ein Zehntel von der Masse unserer Sonne.“

Dank der einzigartigen Infrarotfähigkeiten des VLT blicken die Forscher in dichte Gas- und Staubwolken, die für optische Teleskope undurchdringlich sind. So erwischen die Astronomen selbst Objekte, die nicht genügend Masse haben, um ein richtiger Stern zu werden. Bei Objekten mit weniger als sieben Prozent der Sonnenmasse zündet das Kernfeuer nie – Astronomen sprechen von Braunen Zwergen. „Wir wollen wissen, wie viele Braune Zwerge es dort pro normalem Stern gibt. Die große Frage ist, wie effizient Sternentstehung abläuft, also wie viel von all dem Staub und Gas wirklich zu Sternen wird. Wir können nicht nur diese Braunen Zwerge suchen, sondern vielleicht auch Objekte, die nicht die Masse unserer Sonne, sondern die von Jupiter haben. Jupiter hat nur ein Tausendstel Sonnenmasse. Aber solche Objekte sind im Orionnebel sichtbar, weil sie noch sehr jung sind und damit viel heller als in späteren Phasen.“

Braune Zwerge und Planeten

Diese sehr massearmen Braunen Zwerge strahlen nur innerhalb der ersten hunderttausend Jahre hell genug, um sie zumindest im Infraroten zu erkennen. Der scharfe Blick des VLT hat bereits einige dieser Objekte aufgespürt. Sie sind nur etwa 1700 Grad Celsius heiß – astronomisch gesehen ist das sehr kühl (die Sonne ist an der Oberfläche knapp 6000 Grad Celsius heiß). Im sichtbaren Licht lassen sich diese Objekte zwar nicht entdecken, aber mit der Infrarotkamera ISAAC am VLT können Astronomen sie aufspüren und beobachten.

Protostern HH-34

Eine andere Astronomengruppe hatte diese Objekte im Jahr 2000 als „frei fliegende Planeten“ bezeichnet. Aber wie das ESO-Team nun zeigt, sind etliche dieser vermeintlichen Planeten heller und damit auch massereicher als es die kleineren Teleskope vermuten ließen. Um die Natur dieser Objekte genau zu enträtseln, braucht das Team um Mark McCaughrean noch weitere Daten. „Wir können nicht allein aufgrund der Helligkeit und Farbe dieser Objekte entscheiden, ob sie Sterne, Braune Zwerge oder Objekte von der Masse eines Planeten sind. Wir brauchen Spektren und wir werden das auch mit dem VLT machen. Das VLT bekommt jetzt gerade zwei neue Multiobjektspektrografen. Mit denen können wir dann innerhalb etwa einer Stunde von Hunderten dieser Objekte Spektren aufnehmen.“

Die Astronomen haben im Orionnebel bereits etliche dunkle Scheiben entdeckt, die als Vorstufen von Planetensystemen junge Sterne umgeben – die Entdeckung „fertiger“ Planeten ist mit den bald in Betrieb gehenden Instrumenten des VLT durchaus möglich. Wenn die Astronomen entdecken, dass viele der Sterne im Orionnebel Planeten haben beziehungsweise dass junge Sterne von Staubscheiben umgeben sind, aus denen Planeten entstehen können, dann hätte das enorme Bedeutung. Der Orionnebel ist ein typisches Sternentstehungsgebiet. Wenn dort die meisten Sterne Planeten haben oder bilden sollten, dann müssten auch in der Milchstraße – wenn nicht im ganzen Universum – die meisten Sterne Planeten besitzen.