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Astronomie - Riesige Blasen auf der Oberfläche eines Roten Riesen

21.12.2017

Die Oberfläche des Roten Riesen π1 Gruis, aufgenommen mit PIONIER am VLT

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Zum ersten Mal konnten Granulationsstrukturen auf der Oberfläche eines Sterns außerhalb des Sonnensystems direkt beobachtet werden – auf dem alternden Roten Riesenstern π1 Gruis. Das beeindruckende neue Bild, das mit dem PIONIER-Instrument am Very Large Telescope der ESO aufgenommen wurde, zeigt Konvektionszellen, die die Oberfläche des riesigen Sterns bilden. Jede Zelle bedeckt mehr als einen Viertel des Durchmessers des Sterns und ist etwa 120 Millionen Kilometer groß.

ESO

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Zum ersten Mal konnten Granulationsstrukturen auf der Oberfläche eines Sterns außerhalb des Sonnensystems direkt beobachtet werden – auf dem alternden Roten Riesenstern π1 Gruis. Das beeindruckende neue Bild, das mit dem PIONIER-Instrument am Very Large Telescope der ESO aufgenommen wurde, zeigt Konvektionszellen, die die Oberfläche des riesigen Sterns bilden. π1 Gruis besitzt den etwa 350-fachen Durchmesser der Sonne. Jede Zelle bedeckt mehr als ein Viertel des Durchmessers des Sterns und ist etwa 120 Millionen Kilometer groß. Die neuen Ergebnisse erscheinen diese Woche in der Zeitschrift Nature.

530 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Kranich (lat. Grus) befindet sich π1 Gruis, ein kühler Roter Riese. Er besitzt in etwa die gleiche Masse wie unsere Sonne, ist aber 350 mal größer und mehrere tausendmal so hell [1]. Unsere Sonne wird in ungefähr fünf Milliarden Jahren zu einem ähnlichen Roten Riesenstern werden.

Ein internationales Astronomenteam um Claudia Paladini von der ESO konnte mit dem PIONIER-Instrument am Very Large Telescope der ESO den Roten Riesen π1 Gruis so detailliert wie nie zuvor beobachten. Sie fanden heraus, dass die Oberfläche dieses Roten Riesen nur wenige konvektive Zellen oder Granulen aufweist, die jeweils etwa 120 Millionen Kilometer groß sind – das entspricht etwa einem Viertel des Sterndurchmessers [2]. Ein einziges dieser Granulen würde sich von der Sonne bis jenseits der Venus erstrecken. Die als Photosphären bezeichneten Oberflächen vieler Riesensterne sind von Staub verdeckt, was die Beobachtung erschwert. Im Fall von π1 Gruis findet sich zwar auch Staub in großer Entfernung vom Stern, jedoch hat er keinen signifikanten Einfluss auf die neuen Infrarotbeobachtungen [3].

Als π1 Gruis vor langer Zeit der Wasserstoff ausging, war das das Ende seiner ersten Kernfusionsstufe. Da von innen keine Energie mehr nach außen transportiert werden konnte, begann er aufgrund seines Eigengewichtes zu schrumpfen, wodurch sich der Kern wiederum auf mehr als 100 Millionen Grad erhitzte. Die extremen Temperaturen lösten die nächste Stufe des Kernfusionsprozesses aus, in der Heliumkerne zu schwereren Atomen wie Kohlenstoff und Sauerstoff verschmelzen. Durch die extrem hohen Temperaturen im Kern dehnten sich dann die äußeren Schichten des Sterns aus, wodurch er sich auf das Hundertfache seiner ursprünglichen Größe aufblähte. Der Stern, den wir heute sehen, wird als veränderlicher Roter Riese bezeichnet. Nie zuvor konnte die Oberfläche eines dieser Sterne so detailreich abgebildet werden.

Im Vergleich dazu enthält die Photosphäre der Sonne etwa zwei Millionen konvektive Zellen mit typischen Durchmessern von nur 1500 Kilometern. Die Größenunterschiede der konvektiven Zellen dieser zwei Sterne können teilweise durch ihre unterschiedliche Oberflächengravitation erklärt werden. π1 Gruis besitzt nur die 1,5-fache Masse der Sonne, ist jedoch um ein Vielfaches größer, was zu einer viel geringeren Oberflächengravitation und nur wenigen, extrem großen Granulen führt.

Während Sterne, deren Masse größer ist als acht Sonnenmassen, ihr Leben in spektakulären Supernova-Explosionen beenden, stoßen weniger massereiche Sterne wie π1 Gruis allmählich ihre äußeren Schichten ab, wodurch wunderschöne planetarische Nebel entstehen. Frühere Untersuchungen von π1 Gruis fanden in einer Entfernung von 0,9 Lichtjahren zum Zentralstern eine Hülle, von der man annimmt, dass sie vor etwa 20.000 Jahren ausgestoßen wurde. Diese Phase im Leben eines Sterns dauert nur einige Zehntausende Jahre – verglichen mit der Gesamtlebensdauer von mehreren Milliarden Jahren also nur eine relativ kurze Zeitspanne. Mit den neuesten Beobachtungen hat man jetzt eine Möglichkeit gefunden, diese kurze Phase als Roter Riese genauer zu untersuchen.

Endnoten

[1] π1 Gruis wurde entsprechend des Bayer-Bezeichnungssystems benannt. 1603 klassifizierte der deutsche Astronom Johann Bayer 1564 Sterne und benannte sie mit einem griechischen Buchstaben, gefolgt von dem Namen des Sternbilds, dessen Teil sie waren. Die griechischen Buchstaben wurden je nach scheinbarer Helligkeit vergeben, wobei der hellste Stern mit Alpha (α) bezeichnet wurde. Der hellste Stern im Sternbild Kranich (lat. Grus) ist daher Alpha Gruis.

π1 Gruis gehört zu einem interessanten Paar aus Sternen, die aus kontrastierenden Farben bestehen, die am Himmel eng beieinander zu liegen scheinen, weswegen der zweite Stern π2 Gruis genannt wird. Sie sind hell genug, um mit einem Fernglas beobachtet zu werden. Thomas Brisbane erkannte in den 1830er Jahren, dass π1 Gruis selbst auch aus einem viel näheren Doppelsternsystem bestand. Annie Jump Cannon, der das Harvard-Klassifikationsschema zugeschrieben wird, war 1895 die erste, die über das ungewöhnliche Spektrum von π1 Gruis Gruis berichtete.

[2] Granulen sind Muster aus Konvektionsströmen im Plasma des Sterns. Wenn sich Plasma im Zentrum des Sterns erhitzt, dehnt es sich aus und steigt zur Oberfläche, kühlt dort am äußeren Rand ab, wird dunkler und dichter, und sinkt wieder zum Zentrum. Dieser Prozess setzt sich über Milliarden von Jahren fort und spielt eine entscheidende Rolle in vielen astrophysikalischen Prozessen wie Energietransport, Pulsation, Sternwinde und Staubwolken auf Braunen Zwergen.

[3] π1 Gruis zählt zu den hellsten Vertretern der seltenen S-Spektralklasse, die zuerst vom amerikanischen Astronomen Paul W. Merrill definiert wurde, der Sterne mit ähnlichen Spektren zu einer Klasse zusammenfasste. π1 Gruis, R Andromedaeund R Cygni stellten die Urtypen dieser Klassen dar. Ihr ungewöhnliches Spektrum wird inzwischen auf den S-Prozesszurückgeführt, den Prozess des „langsamen Neutroneneinfangs“ – der für die Bildung von Elementen schwerer als Eisenverantwortlich ist.

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Weitwinkelaufnahme der Himmelsregion um π1 Gruis

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Diese farbenfrohe Aufnahme zeigt den Himmel um das helle Sternenpaar π1 Gruis (Mitte-Rechts, sehr rot) und π2 Gruis (Mitte-Links, bläulich-weiß). Genau rechts von der Bildmitte ist auch die helle Spiralgalaxie IC 5201 zu sehen, während sich über die Weitfeldaufnahme, die aus dem Digitized Sky Survey 2 stammt, noch viele andere lichtschwächere Galaxien verteilen.

Quelle: ESO

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Giant Bubbles on Red Giant Star’s Surface

Astronomers using ESO’s Very Large Telescope have for the first time directly observed granulation patterns on the surface of a star outside the Solar System — the ageing red giant π1 Gruis. This remarkable new image from the PIONIER instrument reveals the convective cells that make up the surface of this huge star, which has 350 times the diameter of the Sun. Each cell covers more than a quarter of the star’s diameter and measures about 120 million kilometres across. These new results are being published this week in the journal Nature.

Located 530 light-years from Earth in the constellation of Grus (The Crane), π1 Gruis is a cool red giant. It has about the same mass as our Sun, but is 350 times larger and several thousand times as bright [1]. Our Sun will swell to become a similar red giant star in about five billion years.

An international team of astronomers led by Claudia Paladini (ESO) used the PIONIER instrument on ESO’s Very Large Telescope to observe π1 Gruis in greater detail than ever before. They found that the surface of this red giant has just a few convective cells, or granules, that are each about 120 million kilometres across — about a quarter of the star’s diameter [2]. Just one of these granules would extend from the Sun to beyond Venus. The surfaces  — known as photospheres —  of many giant stars are obscured by dust, which hinders observations. However, in the case of π1 Gruis, although dust is present far from the star, it does not have a significant effect on the new infrared observations [3].

When π1 Gruis ran out of hydrogen to burn long ago, this ancient star ceased the first stage of its nuclear fusion programme. It shrank as it ran out of energy, causing it to heat up to over 100 million degrees. These extreme temperatures fueled the star’s next phase as it began to fuse helium into heavier atoms such as carbon and oxygen. This intensely hot core then expelled the star’s outer layers, causing it to balloon to hundreds of times larger than its original size. The star we see today is a variable red giant. Until now, the surface of one of these stars has never before been imaged in detail.

By comparison, the Sun’s photosphere contains about two million convective cells, with typical diameters of just 1500 kilometres. The vast size differences in the convective cells of these two stars can be explained in part by their varying surface gravities. π1 Gruis is just 1.5 times the mass of the Sun but much larger, resulting in a much lower surface gravity and just a few, extremely large, granules.

While stars more massive than eight solar masses end their lives in dramatic supernovae explosions, less massive stars like this one gradually expel their outer layers, resulting in beautiful planetary nebulae. Previous studies of π1 Gruis found a shell of material 0.9 light-years away from the central star, thought to have been ejected around 20 000 years ago. This relatively short period in a star's life lasts just a few tens of thousands of years – compared to the overall lifetime of several billion – and these observations reveal a new method for probing this fleeting red giant phase.

Notes

[1] π1 Gruis is named following the Bayer designation system. In 1603 the German astronomer Johann Bayer classified 1564 stars, naming them by a Greek letter followed by the name of their parent constellation. Generally, stars were assigned Greek letters in rough order of how bright they appeared from Earth, with the brightest designated Alpha (α). The brightest star of the Grus constellation is therefore Alpha Gruis.

π1 Gruis is one of an attractive pair of stars of contrasting colours that appear close together in the sky, the other one naturally being named π2 Gruis. They are bright enough to be well seen in a pair of binoculars. Thomas Brisbane realised in the 1830s that π1 Gruis was itself also a much closer binary star system. Annie Jump Cannon, credited with the creation of the Harvard Classification Scheme, was the first to report the unusual spectrum of π1 Gruis in 1895.

[2] Granules are patterns of convection currents in the plasma of a star. As plasma heats up at the centre of the star it expands and rises to the surface, then cools at the outer edges, becoming darker and more dense, and descends back to the centre. This process continues for billions of years and plays a major role in many astrophysical processes including energy transport, pulsation, stellar wind and dust clouds on brown dwarfs.

[3] π1 Gruis is one of the brightest members of the rare S class of stars that was first defined by the American astronomer Paul W. Merrill to group together stars with similarly unusual spectra. π1 Gruis, R Andromedae and R Cygni became prototypes of this type. Their unusual spectra is now known to be the result of the “s-process” or “slow neutron capture process” — responsible for the creation of half the elements heavier than iron.

Quelle: ESO

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