Sternrotation mit neuem Dreh

Beobachtungen zeigen, dass die Rotationsmuster ferner Sterne dem der Sonne ähneln. Dies könnte helfen zu erklären, warum es auf ihrer Oberfläche dunkle Sternenflecken gibt.

Wie unsere Sonne sind Sterne rotierende Kugeln aus heißem Gas. Ihre Drehung unterscheidet sich deshalb von der eines festen Körpers: Regionen unterschiedlichen Breitengrades zeigen verschiedene Rotationsperioden. Dieses Rotationsmuster ist eng verknüpft mit den Magnetfeldern des jeweiligen Sterns und mit seinen Sternenflecken. Eine Gruppe von Forschern der New York University, des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) und der Universität Göttingen hat nun die Rotationsmuster einer Gruppe von sonnenähnlichen Sternen bestimmt. Die Wissenschaftler konnten 13 Sterne identifizieren, deren Rotationseigenschaften denen unserer Sonne ähneln: Ihre Äquatorregionen drehen sich schneller als ihre höheren Breiten. Bei einigen Sternen ist dieses Muster jedoch deutlich ausgeprägter als bei der Sonne. In diesen Fällen rotieren die Äquatorregionen bis zu doppelt so schnell wie die mittleren Breiten. Dieser Unterschied ist viel größer, als Theorien vorhergesagt hatten. Die Forscher berichten von ihren Ergebnissen in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science.

Was wissen wir über ferne Sterne abgesehen von ihrer Helligkeit und ihrer Farbe? Ist unsere Sonne ein typischer Stern? Oder hat sie bestimmte Merkmale, die besonders oder vielleicht sogar einzigartig sind? Eine Eigenschaft von Sternen, die bisher nicht vollständig verstanden ist, ist die Rotation. In ihren äußeren Schichten zeigt die Sonne ein Rotationsmuster, das Wissenschaftler als „differentielle Rotation“ bezeichnen. Dies bedeutet, dass verschiedene Breitengrade mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren. Während am Äquator der Sonne eine volle Umdrehung etwa 25 Tage dauert, rotieren die höheren Breiten langsamer. Ein Punkt in der Nähe der Pole benötigt für eine volle Umdrehung ungefähr 31 Tage.

In ihrer neuen Veröffentlichung untersuchen die Wissenschaftler die Rotationseigenschaften von 40 Sternen, die eine ähnliche Masse wie die Sonne aufweisen. Von diesen zeigen sich die 13 Sterne, für die eine differentielle Rotation mit großer Sicherheit gemessen werden konnte, alle sonnenähnlich: Ihre Äquatorregionen rotieren schneller als die Gebiete höherer Breite. In einigen Fällen ist der Unterschied in der Rotationsgeschwindigkeit zwischen dem Äquator und den mittleren Breiten viel größer als bei der Sonne.

Klassischerweise bestimmen Forscher die Rotationsgeschwindigkeit eines Sterns, in dem sie die Bewegung einzelner Sternenflecken, dunkler Bereiche auf der Oberfläche des Sterns, anhand von photometrischen Lichtkurven verfolgen. Diese Methode hat jedoch ihre Grenzen, weil die genauen Breitengrade der Sternflecken nicht bekannt sind. „Mit Hilfe von Messdaten der NASA-Mission Kepler können wir nun das Innere von Sternen mit Hilfe der Asteroseismologie untersuchen und ihre Rotationsprofile in verschiedenen Breiten und Tiefen bestimmen", sagt Prof. Dr. Laurent Gizon, Direktor am MPS.

Sterne sind zu weit entfernt, um sie in astronomischen Bildern aufzulösen. Sie sind punktähnlich. Anhand der Schwingungen der Sterne können Wissenschaftler jedoch indirekt räumliche Informationen über ihr Inneres erhalten. Sterne unterliegen globalen akustischen Schwingungen, die durch konvektive Bewegungen in ihren äußeren Schichten angeregt werden. Verschiedene Oszillationsarten und Schwingungsfrequenzen beinhalten Informationen über unterschiedliche Regionen in einem Stern. In der aktuellen Studie nutzten die Forscher solche Sternenschwingungen, um die Rotation in verschiedenen Breitengraden in der äußeren Konvektionszone des Sterns zu messen. „Schwingungen, die sich in Rotationsrichtung ausbreiten, bewegen sich schneller als solche, die sich in die entgegengesetzte Richtung ausbreiten. Deswegen unterscheiden sich ihre Frequenzen leicht“, sagt Gizon.

„Unsere besten Messdaten zeigen ausschließlich Sterne mit sonnenähnlicher Rotation", fügt er hinzu. Der überraschendste Aspekt der Forschungsergebnisse ist, dass der Unterschied zwischen den Rotationsgeschwindigkeiten an verschiedenen Breitengraden in einigen Sternen viel größer ist als bei der Sonne. Numerische Modelle hatten dies nicht vorhergesagt.

Die aktuelle Studie zeigt, dass die Asteroseismologie ein gewaltiges Potential hat, das Innenleben von Sternen zu enträtseln. „Informationen über stellare differentielle Rotation sind der Schlüssel zum Verständnis der Prozesse, welche die magnetische Aktivität steuern", sagt Gizon. Die Kombination von Informationen über interne Rotation und Aktivität einerseits und Modellierungen andererseits wird es wahrscheinlich ermöglichen, die Ursachen der magnetischen Aktivität von Sternen aufzudecken. Dafür müssen weitere sonnenähnliche Sterne untersucht werden. 2026 wird die Europäische Weltraumorganisation (ESA) die Exoplaneten-Mission PLATO starten, die Zehntausende heller, sonnenähnlicher Sternen mit Hilfe präziser Asteroseismologie charakterisieren wird. Statistische Auswertungen dieser großen Sternenmenge werden der Schlüssel sein, um die Physik der Sterne und ihre Entwicklung zu studieren.