Im Juli sorgte ein rätselhaftes neues Bild eines fernen extremen Sternensystems, umgeben von surrealen konzentrischen geometrischen Ringen, dafür, dass sich sogar Astronomen den Kopf zerkratzten. Das Bild, das wie eine Art „kosmischer Daumenabdruck“ aussieht, stammt vom James Webb Space Telescope, dem neuesten Flaggschiff-Observatorium der NASA.
Das Internet leuchtete sofort mit Theorien und Spekulationen auf. Einige am wilden Rand behaupteten es sogar als Beweis für „außerirdische Megastrukturen“ unbekannter Herkunft.
Glücklicherweise untersuchte unser Team an der Universität von Sydney genau diesen Stern, der als WR140 bekannt ist, bereits seit mehr als 20 Jahren – also waren wir in der besten Position, die Physik zu nutzen, um zu interpretieren, was wir sahen.
Unser Modell, veröffentlicht Natur, erklärt den seltsamen Prozess, durch den der Stern das schillernde Ringmuster erzeugt, das auf dem Webb-Bild zu sehen ist (jetzt selbst veröffentlicht Natur Astronomie).
Die Geheimnisse von WR140
WR140 ist ein sogenannter Wolf-Rayet-Stern. Diese gehören zu den extremsten bekannten Sternen. In einer seltenen, aber schönen Darstellung können sie manchmal eine Staubwolke in den Weltraum emittieren, die sich hundertmal so groß wie unser gesamtes Sonnensystem ausdehnt.
Das Strahlungsfeld um Wolf-Rayets ist so intensiv, dass Staub und Wind mit Tausenden von Kilometern pro Sekunde oder etwa 1 Prozent der Lichtgeschwindigkeit nach außen gefegt werden. Während alle Sterne stellare Winde haben, treiben diese Überflieger eher so etwas wie einen stellaren Hurrikan an.
Entscheidend ist, dass dieser Wind Elemente wie Kohlenstoff enthält, die herausströmen und Staub bilden.
WR140 ist einer der wenigen staubigen Wolf-Rayet-Sterne, die in einem Doppelsternsystem gefunden wurden. Er befindet sich im Orbit mit einem anderen Stern, der selbst ein massiver blauer Überriese mit einem eigenen heftigen Wind ist.
Nur eine Handvoll Systeme wie WR140 sind in unserer ganzen Galaxie bekannt, aber diese wenigen Auserwählten liefern den Astronomen das unerwartetste und schönste Geschenk. Staub strömt nicht einfach aus dem Stern heraus, um eine dunstige Kugel zu bilden, wie man erwarten könnte; Stattdessen bildet es sich nur in einem kegelförmigen Bereich, in dem die Winde der beiden Sterne kollidieren.
Da sich der Doppelstern in ständiger Orbitalbewegung befindet, muss sich auch diese Schockfront drehen. Die Rußfahne wird dann auf natürliche Weise zu einer Spirale gewickelt, ähnlich wie der Strahl eines rotierenden Gartensprengers.
WR140 hat jedoch noch ein paar Tricks mehr auf Lager, indem es mehr reiche Komplexität in sein auffälliges Display schichtet. Die beiden Sterne befinden sich nicht auf kreisförmigen, sondern auf elliptischen Umlaufbahnen, und außerdem schaltet sich die Staubproduktion episodisch ein und aus, wenn sich der Doppelstern dem Punkt der größten Annäherung nähert und ihn verlässt.
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Ein fast perfektes Modell
Durch die Modellierung all dieser Effekte in die dreidimensionale Geometrie der Staubfahne verfolgte unser Team die Position von Staubmerkmalen im dreidimensionalen Raum.
Durch sorgfältiges Markieren von Bildern des expandierenden Flusses, die am Keck-Observatorium auf Hawaii, einem der größten optischen Teleskope der Welt, aufgenommen wurden, stellten wir fest, dass unser Modell des expandierenden Flusses fast perfekt zu den Daten passte.
Bis auf eine Kleinigkeit. Ganz in der Nähe des Sterns, der Staub war nicht dort, wo er sein sollte. Die Jagd nach diesem kleinen Außenseiter führte uns zu einem Phänomen, das noch nie zuvor mit der Kamera festgehalten wurde.
Die Kraft des Lichts
Wir wissen, dass Licht einen Impuls trägt, was bedeutet, dass es einen Druck auf Materie ausüben kann, der als Strahlungsdruck bekannt ist. Das Ergebnis dieses Phänomens in Form von Materie, die mit hoher Geschwindigkeit durch den Kosmos rast, ist überall sichtbar.
Aber es war ein bemerkenswert schwieriger Prozess, ihn auf frischer Tat zu ertappen. Die Kraft lässt mit der Entfernung schnell nach. Um also zu sehen, wie Material beschleunigt wird, müssen Sie die Bewegung der Materie in einem starken Strahlungsfeld sehr genau verfolgen.
Diese Beschleunigung stellte sich als das einzige fehlende Element in den Modellen für WR140 heraus. Unsere Daten passten nicht, weil die Expansionsgeschwindigkeit nicht konstant war: Der Staub bekam einen Schub durch den Strahlungsdruck.
Das zum ersten Mal mit der Kamera einzufangen, war etwas Neues. Bei jeder Umlaufbahn entfaltet der Stern ein riesiges Segel aus Staub. Wenn es die intensive Strahlung des Sterns einfängt, macht das staubige Segel einen plötzlichen Sprung nach vorne, wie eine Yacht, die eine Bö erwischt.
Rauchringe im Weltraum
Das Endergebnis all dieser Physik ist atemberaubend schön. Wie ein Uhrwerk-Spielzeug pustet WR140 bei jeder achtjährigen Umlaufbahn präzise geformte Rauchringe aus.
Jeder Ring ist mit all dieser wunderbaren Physik eingraviert, die in das Detail seiner Form geschrieben ist. Alles, was wir tun müssen, ist zu warten, und der expandierende Wind bläst die Staubhülle wie einen Ballon auf, bis sie groß genug ist, damit unsere Teleskope sie abbilden können.
Dann, acht Jahre später, kehrt die Binärdatei in ihre Umlaufbahn zurück und eine weitere Hülle erscheint identisch mit der vorherigen und wächst in der Blase ihres Vorgängers. Muscheln häufen sich wie ein gespenstisches Set riesiger Nistpuppen.
Das wahre Ausmaß, in dem wir die richtige Geometrie gefunden hatten, um dieses faszinierende Sternensystem zu erklären, wurde uns jedoch erst bewusst, als das neue Webb-Bild im Juni eintraf.
Hier waren nicht ein oder zwei, sondern mehr als 17 exquisit geformte Muscheln, jede eine nahezu exakte Nachbildung, die in der vorhergehenden verschachtelt war. Das bedeutet, dass die älteste, äußerste Schale, die auf dem Webb-Bild sichtbar ist, etwa 150 Jahre vor der neuesten Schale gestartet worden sein muss, die noch in den Kinderschuhen steckt und von dem leuchtenden Sternenpaar weg beschleunigt, das die Physik im Herzen des Systems antreibt.
Mit ihren spektakulären Federn und wilden Feuerwerken haben die Wolf-Rayets eines der faszinierendsten und am kompliziertesten gemusterten Bilder geliefert, die vom neuen Webb-Teleskop veröffentlicht wurden.
Dies war eines der ersten Bilder, die von Webb aufgenommen wurden. Astronomen sitzen alle am Rande unserer Sitze und warten auf die neuen Wunder, die dieses Observatorium auf uns herunterbeamen wird.
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Bild-Kredit: NASA, ESA, CSA, STScI, NASA-JPL, Caltech
