Wenn wir Nachts zum Himmel schauen, dann sehen wir, wie die Sterne flackern und blinken. Aber das liegt nicht an den Sternen selbst, sondern an der unruhigen Erdatmosphäre, die ihr Licht durchqueren muss. Aber es gibt Sterne, die ihre Helligkeit verändern; mit freiem Auge können wir aber meistens nichts davon sehen, weil die Änderungen so schwach sind beziehungsweise so langsam verlaufen. Mit dem Teleskop haben die Astronomen aber schon viele verschiedene Gruppen veränderlicher Sterne entdeckt. Und dachten eigentlich, sie hätten so halbwegs verstanden, welche Sterne konstant leuchten und welchen nicht. Aber immer wenn man denkt, man wüsste Bescheid, dann kommt das Universum und zeigt einem etwas, das man vorher noch nicht kannte. Zum Beispiel eine neue Klasse von veränderlichen Sternen, die eigentlich gar nicht veränderlich sein sollten.

Der rote Riese Mira im Sternbild Walfisch gehört zu den wenigen Sternen, die auch mit freiem Auge deutliche Helligkeitsänderungen zeigen.

Der rote Riese Mira im Sternbild Walfisch gehört zu den wenigen Sternen, die auch mit freiem Auge deutliche Helligkeitsänderungen zeigen.

Es gibt viele Arten, wie Sterne ihre Helligkeit verändern können. Sogenannte kataklysmische Variable entstehen, wenn ein weißer Zwerg wiederholt zur Nova wird. Bedeckungsveränderliche bestehen aus zwei Sternen, die einander umkreisen und dabei das Licht des anderen blockieren. Die meisten Veränderlichen sind aber einfach nur Sterne, die heller und dunkler werden. Und das tun sie nicht durch eine Veränderung ihrer Größe. Man könnte ja meinen, der Stern wird deswegen heller, weil er sich ein wenig aufbläht und damit größer wird. Ein Stern, der pulsiert und deswegen auch seine Helligkeit verändert. Aber eine Veränderung der Größe hat nur einen geringen Einfluss auf die Änderung der Leuchtkraft. Dort läuft ein anderer Mechanismus ab, der mit der Opazität zu tun hat.

So bezeichnet man das Gegenteil von Transparenz. Die Opazität beschreibt bei Sternen, wie schlecht sie von Strahlung durchdrungen werden kann. Im Inneren eines Sterns entsteht die Energie durch Kernfusion und will dann hinaus. Das kann sie aber nicht sofort, weil sie andauernd gegen Elektronen und Atomkerne stößt und gestreut wird. Diese teilweise Undurchlässigkeit der Sternatmosphäre wird Opazität genannt und oft mit dem griechischen Buchstaben ϰ (kappa) bezeichnet. Wenn sich die Opazität im Sterninneren auf bestimmte Art und Weise verändert, dann kann der Stern zu pulsieren anfangen. Dieser Prozess heißt Kappa-Mechanismus und er funktioniert so:

Zuerst braucht man einen Stern, in dem die Opazität von der Temperatur abhängt. Das muss nicht im gesamten Stern so sein, es reicht, wenn es in einer Schicht der Atmosphäre so ist. Das kann zum Beispiel eine Schicht aus Helium sein. Helium ist ein Atom mit zwei Elektronen in der Hülle. Das heißt, es kann auch zwei Elektronen verlieren, also zweimal ionisiert werden. Wie oft und wie stark Helium ionisiert wird, hängt von der Temperatur ab. Und dort wo das Helium ionisiert ist, schwirren viele Elektronen herum und erhöhen die Opazität, weil die Strahlung an ihnen gestreut wird.

Jetzt passiert irgendwas; irgendeine kleine Störung von außen, die den Stern ein wenig komprimiert. Dadurch wird die Helium-Schicht näher an das Zentrum des Sterns geschoben und die Temperatur erhöht sich. Die erhöhte Temperatur erhöht die Opazität. Die Strahlung aus dem Inneren des Sterns kann nun schlechter nach außen dringen als vorher und “staut” sich unter der Helium-Schicht an. Dieser große Strahlungsdruck wirkt nun der Kompression entgegen und drückt die Helium-Schicht wieder nach außen. Die Temperatur sinkt, die Opazität sinkt und die Strahlung kann nach außen entweichen. Dadurch fällt der Strahlungsdruck weg, die Schicht sinkt wieder nach unten und der ganze Zyklus beginnt von vorne.

Dieser Kappa-Mechanismus funktioniert auch mit anderen Elementen außer Helium; es kommt immer auf die Art des Sterns an. Und ob ein Stern überhaupt eine Schicht mit temperaturabhängiger Opazität hat, hängt von seiner Lage im Hertzsprung-Russell-Diagramm (HRD) ab. Das habe ich hier ganz ausführlich erklärt. Es sieht so aus:

HRD04

Die x-Achse zeigt die Temperatur eines Sterns, die y-Achse seine Helligkeit. Trägt man die Daten vieler Sterne ins HRD ein, dann liegen die nicht einfach irgendwo, sondern in bestimmten Bereichen. “Normale” Sterne liegen immer in der sogenannten Hauptreihe, die von links oben nach rechts unten verläuft. Erst am Ende seines Lebens, wenn der Brennstoff alle ist, wechselt der Stern seine Position in andere sogenannte “Äste” und wird ein Riese, Überriese oder weißer Zwerg.

Der sogenannte Instabilitätsstreifen verläuft im HRD von rechts oben nach links unten; ungefähr so (das ist kein exaktes Diagramm, ich hab das einfach nur mal grob skizziert):

instabilityhrd

Dort wo der Instabilitätsstreifen die verschiedenen Riesenäste und die Hauptreihe kreuzt, findet man die richtigen Bedingungen, damit ein Stern seine Helligkeit ändern kann. Dort haben die Sterne passende Ionisationsschichten und können pulsieren. Der Instabilitätsstreifen enthält die Cepheiden, die RR-Lyrae-Sterne, die Delta-Scuti-Sterne und diverse andere Gruppen Veränderlicher.

Astronomen aus der Schweiz haben nun aber eine neue Gruppe von veränderlichen Sternen gefunden, die nicht dort liegen. Nami Mowlavi und seine Kollegen von der Universität Genf haben sich Sterne im Sternhaufen NGC 3766 angesehen und bestimmt, welche davon veränderlich sind und welche nicht (“Stellar variability in open clusters I. A new class of variable stars in NGC 3766” [PDF]). Dabei fanden sie jede Menge Sterne, die zu den bekannten Gruppen der veränderlichen Sterne gehören. Aber auch 36, die nirgendwo dazu passten. Diese offensichtlich neue Klasse von veränderlichen Sternen liegt in einem Bereich des HRD, in dem es eigentlich keine pulsierenden Sterne geben sollte. Das ist überraschend, seltsam und kann zwei Gründe haben. Entweder man hat sich vermessen. Es ist knifflig, die Parameter (Oberflächentemperatur, Schwerebeschleunigung an der Oberfläche, etc), die man braucht um den Stern passend einzuordnen, genau zu bestimmen. Vielleicht ist mit den Sternen alles ok und weitere Beobachtungen werden keine Anomalien mehr zeigen. Oder aber der Effekt ist real. Dann heißt dass, das wir noch einiges über das Innere der Sterne lernen müssen!

Noch weiß niemand, was genau der Grund für die unerwartete Variabilität ist. Vielleicht liegt es wirklich an ungenauen Modellen, die das Innere eines Sterns beschreiben. Vielleicht liegt es aber auch an Einflüssen, die bisher nicht berücksichtigt worden sind. Einige der neuen Veränderlichen rotieren ziemlich schnell und das könnte natürlich auch Auswirkungen auf die Abläufe im Innern des Sterns haben. Man wird noch viel beobachten und viel am Computer modellieren müssen, um dieses Rätsel zu lösen. Aber vielleicht könnte man mal damit anfangen, der neuen Gruppe einen brauchbaren Namen zu geben. Denn der Vorschlag der Schweizer Autoren ist etwas lau: “low amplitude periodic (or pulsating) A and late-B variables”.

Kommentare (13)

  1. #1 StefanL
    17. Juni 2013

    Helium ist ein Atom mit zwei Elektronen im Kern. ? 😉

  2. #2 Detlef
    17. Juni 2013

    Ist denn genau genommen nicht auch unsere Sonne mit ihrem 11-Jahreszyklus ein veränderlicher Stern? Bei ihrem Sonnefleckenmaximum sollte sie doch eigentlich auch ein klein wenig kühler werden. Oder gleicht sich das Gesamtbild dann durch zusätzliche Erhitzung der Corona wieder aus?

  3. #3 Florian Freistetter
    17. Juni 2013

    @Detlef: “Ist denn genau genommen nicht auch unsere Sonne mit ihrem 11-Jahreszyklus ein veränderlicher Stern? Bei ihrem Sonnefleckenmaximum sollte sie doch eigentlich auch ein klein wenig kühler werden. Oder gleicht sich das Gesamtbild dann durch zusätzliche Erhitzung der Corona wieder aus?”

    Nein, die Sonnenaktivität hat NICHTS mit der Leuchtkraft zu tun. Jeder Stern ist aktiv; da gehts um die Bewegung des Plasmas im Inneren und die Magnetfelder. Als “veränderlichen Stern” bezeichnet man aber nur die, die auch ihre Leuchtkraft verändern. Und das tut die Sonne nicht (bzw. nur minimal).

  4. #4 Bruttl
    17. Juni 2013

    Der Instabilitätsstreifen enthält die Cepheiden, die RR-Lyrae-Sterne, die Delta-Scuti-Sterne und diverse andere Gruppen Veränderlicher.

    Astronomen aus der Schweiz haben nun aber eine neue Gruppe von veränderlichen Sternen gefunden, die nicht dort liegen.

    Es sind schon lange viele Instabilitätsregionen im HRD bekannt, die ausserhalb des klassischen Instabilitätsstreifens liegen. Das sind die, bei denen die Pulsationen durch einen kappa-Mechanismus getrieben wird, der mit anderen Opazitätsquellen als Helium II funktioniert, wie von Florian hier anmerkt

    Dieser Kappa-Mechanismus funktioniert auch mit anderen Elementen außer Helium;

    oder bei denen die Pulsationen durch Konvektion getrieben werden. Eine schematische Abbildung dazu findet sich hier

    http://users-phys.au.dk/jcd/HELAS/puls_HR/plot-puls-book07-nosvg.gif

    An der neu veröffentlichten Klasse verblüfft, dass sie auch in diesem HRD, das von Veränderlichen nur so wimmelt, in ein ‘Loch” fallen: grob zwischen die delta Scutis und SPBs auf der Hauptreihe.

    Die meisten Veränderlichen sind aber einfach nur Sterne, die heller und dunkler werden. Und das tun sie nicht durch eine Veränderung ihrer Größe. Man könnte ja meinen, der Stern wird deswegen heller, weil er sich ein wenig aufbläht und damit größer wird. Ein Stern, der pulsiert und deswegen auch seine Helligkeit verändert. Aber eine Veränderung der Größe hat nur wenig mit den variablen Sternen zu tun.

    Mit dieser Aussage bin ich nicht einverstanden. Die Leuchtkraft eines Sterns ist eine Funktion des Radius und der Effektivtemperatur. Sowohl periodische Änderungen in der Temperatur als auch im Radius können also zu Leuchtkraftänderungen führen. Der kappa-Effekt kann beides hervorrufen, und die unterschiedlichen Anteile an der Leuchtkraftänderung sind bei unterschiedlichen Klassen von Pulsationsveränderlichen unterschiedlich gross. Gerade bei den Cepheiden ist der geometrische Anteil gewaltig, der Radius ändert sich im Extremfall um einen Faktor 2.

    Ist denn genau genommen nicht auch unsere Sonne mit ihrem 11-Jahreszyklus ein veränderlicher Stern?

    Auch aktive Sterne zählen zu den Veränderlichen, aber natürlich nicht zu den Pulsationsveränderlichen. Ob man einen Stern als variabel bezeichnet oder nicht, ist Konvention – wenn man genau genug hinschaut, sind alle Sterne variabel. Vor der Zeit der Weltraummissionen, die photometrisches Monitoring machen, wurde die Grenze zwischen variablen und nicht-variablen Sternen bei 1 Millimagnitude im Helligkeitsunterschied gelegt. Auch vor diesen Missionen kannte man allerdings schon Veränderlichenklassen, deren Amplituden kleiner waren.

    So ist die Sonne kein “aktiver” Stern, weil die durch Sonnenaktivität(!) hervorgerufenen Leuchtkraftschwankungen (zwar messbar, aber) nicht sehr gross sind: Änderung der Solar”konstante” im Promille-Bereich, wenn ich mich auswendig recht entsinne. Dabei gleicht im Maximum der Sonnenaktivität in der bolometrischen Helligkeit der erhöhte UV/EUV Anteil durch die Fackeln die Helligkeitsabsenkung in den Sonnenflecken mehr als aus. Eine Chance auf eine wirklich ruhige Atmosphären haben nur Sterne mit radiativen Hüllen, in denen sich kein Magnetfeld halten kann.

    Und schliesslich zählt die Sonne nicht zu den klassischen Pulsatoren, sehr wohl aber ist sie ein pulsierender Stern: sie zeigt sonnenähnliche Pulsationen (jawoll!) und ist damit der Prototyp für eine ganze Klasse von Pulsationsveränderlichen.
    Wieder sind die zugehörigen Ausschläge in der Helligkeit klein, nämlich ein paar parts per million, aber dennoch messbar (z.B. mit dem bodengebundenen GONG Netzwerk). Auch der geometrische Effekt ist messbar als Radialgeschwindigkeitsänderung, diese Messung ist sogar einfacher (BISON, SOHO und andere).

    Wirklich verblüffend daran finde ich, dass diese Messungen auch für sonnenähnliche Pulsationen in anderen Sternen machbar sind.

  5. #5 Florian Freistetter
    17. Juni 2013

    @Bruttl: “Mit dieser Aussage bin ich nicht einverstanden. Die Leuchtkraft eines Sterns ist eine Funktion des Radius und der Effektivtemperatur. Sowohl periodische Änderungen in der Temperatur als auch im Radius können also zu Leuchtkraftänderungen führen. Der kappa-Effekt kann beides hervorrufen, und die unterschiedlichen Anteile an der Leuchtkraftänderung sind bei unterschiedlichen Klassen von Pulsationsveränderlichen unterschiedlich gross.”

    Hmm – also ich bin kein Experte für veränderliche Sterne; habe aber gelernt, dass es eben nicht die Größenänderung ist, die hier den hauptsächlichen Effekt verursacht, sondern die Leuchtkraftänderung. Aber vielleicht stimmt das ja auch nicht…

    “wenn man genau genug hinschaut, sind alle Sterne variabel”
    “sie zeigt sonnenähnliche Pulsationen”

    Klar, jeder Stern pulsiert (ich habe mich lange genug mit Asteroseismologen rumgetrieben, die mir alles darüber erzählt haben). Aber es ging ja jetzt in dem Artikel um die klassischen Veränderlichen und die klassischen Mechanismen. Wenn ich da auch noch von den ganzen Sonnenschwingungen etc angefangen hätte, wäre das nur verwirrend gewesen. Zu dem Thema hab ich hier mehr geschrieben:

    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2010/11/22/asteroseismologie-pulsationen-und-der-klang-der-sterne/
    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2010/12/03/nichts-bleibt-wie-es-ist-nicht-mal-die-veranderung-der-blazhkoeffekt/

  6. #6 Bruttl
    17. Juni 2013

    Aber es ging ja jetzt in dem Artikel um die klassischen Veränderlichen und die klassischen Mechanismen.

    Also Mowlawi et al. haben sich nicht darauf beschränkt, nur den klassischen Mechanismus als Erklärung für ihre neuentdeckten Veränderlichen zuzulassen – und haben trotzdem in *all* den möglichen Anregungsmechanismen bisher keinen passenden gefunden. Insofern geht es zumindest in deren Artikel nicht nur um die klassischen Mechanismen.

    Zur Leuchtkraftänderung: Wie du weisst, L=4piR^2sigmaTeff^4,
    d.h. um eine Leuchtkraftänderung hervorzurufen, kann ich entweder am Radius schrauben oder an der Effektivtemperatur, oder beides. Zur *Definition* benuzte ich dann nur die resultierende Leuchtkraftänderung. Dem Gesamteffekt auf die Leuchtkraft zugrunde liegen muss aber eine Änderung in R oder Teff, bzw. beidem, wobei die Anteile wie gesagt ganz unterschiedlich ausfallen können und ausserdem nichtmal mit der “erwarteten” Phasenverschiebung auftreten müssen. “Hier” (bei den im Artikel besprochenen Sternen) kann der geometrische Effekt in der Tat vernachlässigbar sein.

    Zur Sonne habe ich meine Ansichten nachgetragen weil Detlef explizit danach gefragt hat.

  7. #7 Florian Freistetter
    17. Juni 2013

    @Bruttl: “Zur Leuchtkraftänderung: Wie du weisst, L=4piR^2sigmaTeff^4,
    d.h. um eine Leuchtkraftänderung hervorzurufen, kann ich entweder am Radius schrauben oder an der Effektivtemperatur, oder beides. “

    Ja – aber da T mit der 4ten Potenz geht und R mit der zweiten, wirken sich Änderungen in T viel stärker aus. Das wollte ich eigentlich im Artikel sagen; vielleicht wars auch einfach nur schlecht formuliert…

  8. #8 Alderamin
    17. Juni 2013

    @Florian, Bruttl

    Ich muss Bruttl recht geben, einige veränderliche Sterne haben sehr wohl einen variablen Radius, z.B. Mirasterne und Cepheiden. In diesem Diagramm ist aufgetragen, wie sich bei Delta Cephei verschiedene Parameter über die Pulsationsperiode ändern. Was auffällt: es gibt einen Phasenversatz zwischen dem maximalen Radius und der Helligkeit, die wiederum beinahe in Phase mit der Temperatur ist. Die Helligkeit wird also, und da hat Florian recht, nicht hauptsächlich durch die Radiuszunahme verusacht. Was auch einleuchtet, weil die Helligkeit mit der vierten Potenz der Temperatur, aber nur mit dem Quadrat des Radius zunimmt, wobei bei zunehmendem Radius/abnehmendem Druck die Temperatur rasch fällt.

    Hatte mich zur mündlichen Diplomprüfung im Nebenfach Astronomie mal als Vertiefungsthema mit den Veränderlichen beschäftigt, ist aber schon eine Weile her.

  9. #9 Alderamin
    17. Juni 2013

    @Florian

    Da war ich beim Tippen zu langsam, bist mir zuvor gekommen :-)

  10. #10 Florian Freistetter
    17. Juni 2013

    @Alderamin: “ch muss Bruttl recht geben, einige veränderliche Sterne haben sehr wohl einen variablen Radius”

    Naja, das hab ich ja nicht bestritten. Ich wollte nur sagen, dass Temperaturänderungen größere Auswirkungen haben als Radiusänderungen. Der Satz “Aber eine Veränderung der Größe hat nur wenig mit den variablen Sternen zu tun.” war vielleicht mißverständlich formuliuert und sollte besser “Aber eine Veränderung der Größe hat nur einen kleinen Einfluss auf die Änderung der Leuchtkraft” heißen…

  11. #11 Balu
    17. Juni 2013

    @ Florian Freistetter
    “Jetzt passiert irgendwas; irgendeine kleine Störung von außen, die den Stern ?ein wenig komprimiert.”

    Was könnte denn das irgendwas sein, das den Stern komprimiert? Es müsste ja eine regelmäßig auftretende Störung sein, um den Stern zum pulsieren zu bringen. Wobei sich pulsieren auf die Änderung der Leuchtkraft bezieht.

  12. #12 Florian Freistetter
    17. Juni 2013

    @Balu: Ne, es reicht wenn das einmal passiert um das ganze anzustoßen. Wenn das Werk einmal läuft, dann läufts von selbst weiter. Und so ne Störung kann alles sein. Vielleicht fällt ein Komet auf den Stern, irgendwo geht ne Supernova hoch oder intern rappelts mal und es gibt ne große Sonneneruption oder sonst irgendwas, was das Gleichgewicht stört.

  13. […] verursachen kann – zum Beispiel durch das Auftreten von Sternflecken oder den Pulsationen die veränderliche Sterne […]