Turbulente Konvektion bestimmt Sternaktivit?t

Forschende werfen ein neues Licht auf die Dynamos in Hauptreihen- und Riesensternen

9. M?rz 2020

Die Aktivit?t verschiedener Sterne kann sehr unterschiedlich stark ausgepr?gt sein. Die Sonne beispielsweise ist mit ihren koronalen Massenauswürfen, ihren Flares und Sonnenflecken im astronomischen Vergleich eher m??ig aktiv. Andere Sterne bieten deutlich mehr: etwa riesige Sternflecken, die einen Gro?teil ihrer Scheibe bedecken. Seit Langem ist klar, dass die Magnetfelder, die im Innern der Sterne in einem Dynamo-Prozess entstehen, für diese Aktivit?t verantwortlich sind. Die genaue Funktionsweise des Dynamos ist noch unklar. Mit dem Ziel diese Frage zu kl?ren, hat nun eine Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) erstmals eine Gruppe von Hauptreihen- und weiter entwickelten Sternen mit derselben Methode untersucht. Ihre Analyse deutet darauf hin, dass ein gemeinsamer, turbulenzabh?ngiger Dynamomechanismus eine entscheidende Rolle für die Sternaktivit?t in allen Stadien der Sternentwicklung spielt. Von ihren Ergebnissen berichten die Forscherinnen und Forscher in der heutigen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Astronomy.

Ein Blick in das Innere der Sonne und eines weiterentwickelten Riesensterns.

In ihrem Inneren sind Sterne in Schichten aufgebaut, ?hnlich wie eine Zwiebel. Bei Sternen mit sonnen?hnlichen Temperaturen folgt auf den Kern die Strahlungszone. Dort wird die W?rme aus dem Inneren mittels Strahlung nach au?en geleitet. Da das Sternenplasma weiter au?en kühler wird, wird der W?rmetransport dort von Plasmastr?men dominiert: Hei?es Plasma aus dem Inneren steigt zur Oberfl?che auf, kühlt ab und sinkt wieder hinab. Dieser Vorgang wird als Konvektion bezeichnet. Gleichzeitig führt die Rotation des Sterns, deren Geschwindigkeit vom Breitengrad abh?ngt, zu zus?tzlichen Scherbewegungen. Beide Prozesse zusammen verdrehen und verwirbeln die Magnetfeldlinien und erzeugen die komplexen Magnetfelder in einem noch nicht vollst?ndig verstandenen Dynamoprozess.

?Leider k?nnen wir nicht in die Sonne und andere Sterne hineinschauen und diese Vorg?nge direkt beobachten. Stattdessen müssen wir auf indirekte Methoden zurückgreifen“, erkl?rt Jyri Lehtinen vom MPS, Erstautor der neuen Ver?ffentlichung. In ihrer aktuellen Studie vergleichen die Forscherinnen und Forscher einerseits die Aktivit?tsniveaus verschiedener Sterne und andererseits ihre Rotations- und Konvektionseigenschaften. Ziel ist es, festzustellen, welche Eigenschaften einen starken Einfluss auf die Aktivit?t haben. Dies kann helfen, die entscheidenden Merkmale des Dynamoprozesses zu identifizieren.

Mehrere Modelle des Sternendynamos wurden bisher vorgeschlagen; zwei Haupttheorien beherrschen jedoch die Diskussion. W?hrend eine davon der Rotation eine ma?geblichere Rolle zuweist und annimmt, dass die Konvektion nur einen subtilen Einfluss hat, beruht die andere entscheidend auf turbulenten Konvektionsstr?mungen. Bei dieser Art von Konvektion steigt das hei?e Sternenplasma nicht in gro?en, beh?bigen Bewegungen an die Oberfl?che. Vielmehr dominieren kleinskalige, unruhige Str?me.

Um Hinweise zugunsten einer der beiden Theorien zu finden, warfen Lehtinen und seine Kolleginnen und Kollegen einen Blick auf 224 sehr unterschiedliche Sterne. Die Auswahl enthielt sowohl Hauptreihensterne, die sozusagen in der Blüte ihres Lebens stehen, als auch ?ltere, weiter entwickelte Riesensterne. Typischerweise ver?ndern sich sowohl die Konvektions- als auch die Rotationseigenschaften von Sternen mit zunehmendem Alter. Im Vergleich zu Hauptreihensternen weisen weiterentwickelte Sterne eine dickere Konvektionszone auf, die sich oft über einen Gro?teil des Sterndurchmessers erstreckt und manchmal die Strahlungszone sogar vollst?ndig verdr?ngt. Dies führt zu l?ngeren Zeitskalen für den konvektiven W?rmetransport. Gleichzeitig verlangsamt sich in der Regel die Rotation.

Für ihre Studie analysierten die Forscherinnen und Forscher einen am Mount Wilson Observatorium in Kalifornien (USA) gewonnenen Datensatz, der über mehrere Jahre die Strahlungsintensit?t dieser Sterne in Wellenl?ngen aufzeichnete, die typisch sind für die Kalziumionen im Sternenplasma. Die Strahlungsintensit?t korreliert nicht nur mit dem Aktivit?tsniveau der Sterne. Komplexe Datenverarbeitung erm?glichte es auch, auf die Rotationsperioden der Sterne zu schlie?en.

Wie die Sonne weisen Sterne bisweilen Regionen mit extrem starken Magnetfeldern auf, so genannte aktive Regionen. Diese gehen oftmals mit dunklen Flecken auf der sichtbaren Oberfl?che des Sterns einher. ?Wenn sich der Stern dreht, wandern diese Flecken ins Blickfeld und verschwinden dann wieder. Das führt zu einem periodischen Anstieg und Abfall der Strahlungsintensit?t“, erkl?rt Maarit K?pyl? von der Aalto Universit?t in Finnland, die auch die Forschungsgruppe ?Solare und Stellare Dynamos" am MPS leitet. Da jedoch auch andere Effekte zu Schwankungen der Strahlungsintensit?t führen k?nnen, ist es schwierig, periodische Schwankungen - insbesondere über lange Zeitr?ume - zu identifizieren.

?Einige der von uns untersuchten Sterne zeigen Rotationsperioden von mehreren hundert Tagen und überraschenderweise immer noch ein Aktivit?tsniveau, das mit dem anderer Sterne vergleichbar ist, und bemerkenswerterweise sogar magnetische Aktivit?tszyklen wie die Sonne", sagt Nigul Olspert vom MPS, der die Daten analysiert hat. Die Sonne dreht sich im Vergleich dazu recht zügig mit einer Rotationsperiode von nur etwa 25 Tagen am Sonnen?quator. Die konvektiven Zeitskalen wurden aus Modellen für den Sternaufbau berechnet, welche die Masse jedes Sterns, seine chemischen Zusammensetzung und Entwicklungsphase berücksichtigen.

Die Analyse der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigt, dass die Aktivit?t eines Sterns nicht nur von seiner Rotation abh?ngt. Das hatten zuvor andere Studien nahegelegt, die auf kleineren und einheitlicheren Proben basierten und nur Hauptreihensterne einschlossen. ?Das Zusammenwirken von Rotation und Konvektion bestimmt, wie aktiv ein Stern ist", fasst K?pyl? zusammen. "Unsere Ergebnisse geben deshalb den Ausschlag zugunsten des Dynamomechanismus mit turbulenter Konvektion", fügt sie hinzu.

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