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Originalpublikation

1.
R. A. Burns et al.
A heatwave of accretion energy traced by masers in the G358-MM1 high-mass protostar

Hitzewelle kündet vom Wachstum eines Sternembryos

Die Vermessung von natürlichen Mikrowellen-Lasern schärft die Erforschung der Entstehung von massereichen Sternen

17. Januar 2020

Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) hat in der Umgebung eines massereichen Protosterns eine sich ausbreitende Hitzewelle nachgewiesen. Sie bestätigt das Szenario, dass solche Objekte in Schüben wachsen. Sichtbar wurde diese Welle durch die Beobachtung von natürlich erzeugten Mikrowellen-Lasern, deren räumliche Anordnung sich unerwartet schnell veränderte.
Künstlerische Darstellung eines Protosterns, der aus einer zirkumstellaren Scheibe Gas akkretiert und wächst. Ein Teil des Materials wird durch Jets senkrecht zur Scheibenebene ausgestoßen. Von der äußeren Hülle fällt weiterhin Gas auf die Scheibe auf. Dies kann Instabilitäten produzieren, was hin und wieder zu verstärktem Einfall auf den Protostern führt. Da Protosterne tief in dichten Wolken eingebettet sind, lassen sie sich nur schwer direkt beobachten. Bild vergrößern
Künstlerische Darstellung eines Protosterns, der aus einer zirkumstellaren Scheibe Gas akkretiert und wächst. Ein Teil des Materials wird durch Jets senkrecht zur Scheibenebene ausgestoßen. Von der äußeren Hülle fällt weiterhin Gas auf die Scheibe auf. Dies kann Instabilitäten produzieren, was hin und wieder zu verstärktem Einfall auf den Protostern führt. Da Protosterne tief in dichten Wolken eingebettet sind, lassen sie sich nur schwer direkt beobachten. [weniger]

Auch wenn die Grundzüge der Entstehung von Sternen inzwischen gut verstanden sind, ist die Existenz von massereichen Sternen in manchen Details noch rätselhaft. Durch den enormen Schweredruck im Innern eines massereichen Protosterns startet die Kernfusion, während dessen er noch wächst. Das weitere Wachstum wird durch den Strahlungsdruck des jungen Sterns erschwert. Um diesen Widerstand zu überwinden, könnte die Akkretion von Material aus einer zirkumstellaren Scheibe phasenweise in einzelnen großen Paketen geschehen. Während dieses Vorgangs nimmt seine Helligkeit kurzzeitig stark zu. Allerdings sind solche Schwankungen schwer zu beobachten, da Protosterne tief in dichten Wolken eingebettet sind.

Ein internationaler Zusammenschluss von Astronomen zur Maser Monitoring Organisation (M2O), an dem das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) beteiligt ist, hat nun durch Beobachtungen mit mehreren Radioteleskopen eine Hitzewelle nachgewiesen, die sich in der Umgebung des massereichen Protosterns G358-MM1 ausbreitet. Nachfolgebeobachtungen konnten bestätigen, dass sie durch eine zeitlich begrenzte Zunahme der Akkretionstätigkeit hervorgerufen wurde.

Verraten hat sich die Hitzewelle durch die Aktivität von Masern. Maser sind das Pendant zu Lasern, die jedoch statt sichtbarem Licht Mikrowellenstrahlung – oder Radiostrahlung – abgeben. Sie kommen in massereichen Sternentstehungsgebieten als natürliche, sehr helle und kompakte Strahlungsquellen vor. Sowohl die vergleichsweise hohen Temperaturen und Dichten als auch der Reichtum an komplexer Chemie in solchen Umgebungen begünstigen ihre Entstehung. Im vorliegenden Fall ist es das Methanol (Methylalkohol), das von der intensiven Strahlung des Protosterns angeregt wird und Maser erzeugt.

Illustration des Mechanismus, wie die sich ausbreitende Hitzewelle auf ihrem Weg Maseraktivität in dem Material anregt, das den Protostern umgibt. Die Welle erhöht kurzzeitig lokal die Temperatur des Gases. In diesem Bereich wird die charakteristische Strahlung von Methanolmasern emittiert. In dem Maß wie die Welle sich ausbreitet, verändern sich die Positionen der Maseremission. Bild vergrößern
Illustration des Mechanismus, wie die sich ausbreitende Hitzewelle auf ihrem Weg Maseraktivität in dem Material anregt, das den Protostern umgibt. Die Welle erhöht kurzzeitig lokal die Temperatur des Gases. In diesem Bereich wird die charakteristische Strahlung von Methanolmasern emittiert. In dem Maß wie die Welle sich ausbreitet, verändern sich die Positionen der Maseremission. [weniger]

Die Wissenschaftler, die im Abstand von einigen Wochen Radio-Interferometrie-Daten mit hoher räumlicher Auflösung von 0,005 Bogensekunden (1 Winkelgrad = 3600 Bogensekunden) aufnahmen, entdeckten, dass sich die Maser auszubreiten schienen. Die ermittelte Geschwindigkeit mit bis zu 8 % der Lichtgeschwindigkeit war aber zu hoch, als dass sie mit der Bewegung von Gas vereinbar wäre. Stattdessen schließen die Astronomen auf eine Welle, die das umgebende Medium durchläuft und auf ihrem Weg Maseraktivität auslöst. Ihren Ursprung hat diese Hitzewelle in der Akkretion von Gas auf den Protostern.

„Die M2O-Beobachtungen gehören zu den ersten, die die unmittelbaren Auswirkungen eines Akkretionsschubs in einem massereichen Protostern so detailliert bezeugen, dass sie die episodische Akkretionstheorie der massereichen Sternentstehung unterstützen“, erläutert Ross Burns vom National Astronomical Observatory of Japan, der die Arbeitsgruppe leitet.

Hendrik Linz vom MPIA ergänzt: „Die eigentliche Hitzewelle direkt im thermischen Infrarot zu beobachten, wäre sehr kompliziert. Die Maser als starke Strahlungsquellen in einem leicht zugänglichen Wellenlängenbereich sind ein sehr gutes Beobachtungswerkzeug, um auf kleinen räumlichen Skalen, und somit auf kurzen Zeitskalen nach einem Ausbruch, den Durchgang so einer Hitzewelle indirekt nachzuvollziehen.“

Die Partner des M2O-Projekts werden auch in Zukunft die Maser in vielen Sternentstehungsgebieten überwachen, um so mehr über das Wachstum von massereichen Protosternen zu erfahren.

Kollaboration

Diese Studie wurde ermöglicht durch eine Kooperation der folgenden Forschungseinrichtungen:

Mizusawa VLBI Observatory, National Astronomical Observatory of Japan; Korea Astronomy and Space Science Institute; NARIT, Thailand; University of Science and Technology, Korea; Ural Federal University, Russland; Thüringer Landessternwarte, Deutschland; The University of Western Ontario, Kanada; Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory, Südafrika; Center for Astronomy, Ibaraki University, Japan; Centre for Astronomy, Nicolaus Copernicus University, Polen; School of Natural Sciences, University of Tasmania, Australien; Xinjiang Astronomische Sternwarte, Chinesische Akademie der Wissenschaften, China; Dublin Institute for Advanced Studies, Irland; NRAO, USA; Australia Telescope National Facility, CSIRO, Australien; Max-Planck-Institut für Astronomie, Deutschland; INAF Osservatorio Astronomico di Cagliari, Italien; Space Research Unit, Physics Department, North West University, Südafrika; Department of Physics and Astronomy, Faculty of Physical Sciences, University of Nigeria; Institute for Radio Astronomy, Niederlande; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Deutschland

 
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