Oberflächengravitation

Genaue Messung der Gravitation von fernen Sternen möglich

Die Schwerkraft an der Oberfläche eines Sterns ändert sich im Laufe seines Lebens drastisch. Diese wichtige Größe – die sogenannte Oberflächengravitation –, mit der sich das Alter von Sternen und die Größe von Planeten bestimmen lassen, ist allerdings sehr schwer zu messen.

Die typische Zeitskala der akustischen Schwingungen und konvektiven Bewegungen eines Sternes gibt Aufschluss über die Schwerebeschleunigung an seiner Oberfläche. Links unten befinden sich Sterne wie unsere Sonne mit sehr hoher Schwerebeschleunigung und kurzen Schwingungs- und Konvektionszeitskalen. Im Lauf ihres Lebens bewegen sich Sterne zu immer längeren Zeitskalen und daher niedrigeren Schwerebeschleunigungen. Dabei ändert sich der Radius der Sterne drastisch. Rechts oben befinden sich die Roten Riesensterne mit Radien von etwa dem 50-Fachen der Sonne. (Copyright: Thomas Kallinger)

Einem internationalen ForscherInnen-Team mit Beteiligung der Universität Wien ist es nun gelungen, diesen Wert auf wenige Prozent genau zu bestimmen. Die neue Methode wird bei zukünftigen ESA- und NASA-Missionen eingesetzt werden, um Größe und Bewohnbarkeit von Planeten, die ferne Sterne umkreisen, besser bestimmen zu können. Die Studie erscheint aktuell in der Zeitschrift „Science Advances".

In den letzten Jahren wurden tausende Planeten um ferne Sterne entdeckt, die meisten davon mit der sogenannten Transitmethode, d.h. es konnten die Planeten erfasst werden, die aus der Sicht der Erde vor dem jeweiligen Stern vorbeiziehen. Die Größe des Planeten wird dabei aber immer nur relativ zu der des Sterns gemessen. Um zu bestimmen, ob ein neu entdeckter Planet der Erde ähnlich ist oder ob es sich beispielsweise um einen Gasplaneten wie Jupiter handelt, ist es notwendig, die Eigenschaften – u.a. die Schwerebeschleunigung – des Sterns zu kennen.

„Wir haben nun eine Methode entwickelt, mit der wir die Oberflächengravitation einer großen Anzahl ferner Sterne mit sehr hoher Genauigkeit bestimmen können", erklärt Thomas Kallinger, Erstautor der Studie und Astrophysiker an der Universität Wien. Er und ein ForscherInnen-Team aus Deutschland, Kanada, Frankreich und Australien publizieren dazu in der Zeitschrift „Science Advances".

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Minimale Helligkeitsänderungen werden bei der neuen Methode genutzt

Obwohl das Leuchten der Sterne am Nachthimmel konstant erscheint, ist es messbaren Änderungen unterworfen. Akustische Schwingungen im Sterninneren verändern die Menge des abgestrahlten Lichts, aber auch konvektive Bewegungen – das Aufsteigen heißer Gasblasen und deren Absinken, nachdem sie an der Oberfläche abgekühlt sind – verursachen Helligkeitsänderungen. Beide Phänomene werden direkt von der Oberflächengravitation des Sternes beeinflusst. Sie können daher für die Messung der Schwerebeschleunigung, die sich aus der Masse und dem Radius des Sterns ergibt, genutzt werden.

Dass man nicht unbedingt ins Weltall schauen muss, um diese Phänomene zu beobachten, erklärt Thomas Kallinger folgendermaßen: „Erhitzt man Wasser in einem Topf, dann steigt es vom Topfboden zur Oberfläche auf, wo die transportierte Wärme an die Luft abgegeben wird. Die Flüssigkeit sinkt wieder ab, und der Zyklus beginnt von Neuem." Diese Zirkulation transportiert Energie und wird Konvektion genannt. Sie findet auch in der Sonne und den meisten anderen Sternen statt.

Die bisherige Methode, die für die Messung der Schwerebeschleunigung zur Verfügung stand, war die detaillierte Analyse der Sternschwingungen. Diese war jedoch nur auf wenige, helle Sterne anwendbar, bei denen sich das Signal deutlich vom Hintergrundrauschen abhob.

Die neue Methode, die von den ForscherInnen „Autocorrelation Function Timescale Technique" genannt wird, macht es nun möglich, auch für lichtschwache Sterne mit stark verrauschten Messungen einen genauen Wert für die Schwerebeschleunigung zu ermitteln. Sie beruht darauf, dass die Zeitskala der Helligkeitsvariationen der Schwerebeschleunigung indirekt proportional ist (siehe Abbildung) und ermöglicht eine Genauigkeit in der Berechnung von etwa vier Prozent. Die bisherige Methode, die Schwerebeschleunigung bei schwach leuchtenden Sternen zu ermitteln, lieferte lediglich eine Genauigkeit von etwa 25 Prozent.

Anwendung für hunderttausende von Sternen

Reichlich Anwendungsmöglichkeiten für diese neue Methode sieht Co-Autor Daniel Huber, der an der Universität Wien studierte und nun an der University of Sydney forscht: „Nicht nur das Weltraumteleskop Kepler der NASA sucht derzeit mit der Transitmethode nach Exoplaneten und generiert dabei hunderttausende hochpräzise Lichtkurven. Auch zukünftige ESA-Missionen wie PLATO oder die NASA-Mission TESS werden auf diese Weise arbeiten." Dabei werden hunderttausende von Sternen mit der neuen Methode beobachtet werden – mit dem Ziel, sowohl den Entwicklungszustand der betreffenden Sterne als auch die Größe ihrer Planeten präzise zu bestimmen.

Publikation:
Precise stellar surface gravities from the time scales of convectively driven brightness variations: Thomas Kallinger, Saskia Hekker, Rafael A. Garcia, Daniel Huber, Jaymie M. Matthews in Science Advanes.

Wissenschaftlicher Kontakt:
Dr. Thomas Kallinger
Institut für Astrophysik
Universität Wien
1180 Wien, Türkenschanzstraße 17
E-Mail: thomas.kallinger@univie.ac.at

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