Uralte Sternpaare enthüllt: Eines ist fast so alt wie das Universum

Astronomen haben Doppelsterne aus der Jugend der Milchstraße auf die Waage gelegt. Eines davon ist metallärmer als jedes bisher so vermessene Sternpaar.

Ein Team um Dominick Rowan von der University of California in Berkeley hat fünfzehn Sternpaare vermessen, die aus der Frühzeit der Milchstraße stammen und kaum schwere Elemente enthalten.

Solche alten Sterne fehlten in den Katalogen bisher fast völlig, obwohl sich gerade an ihnen zeigen muss, ob unsere Theorie vom Leben der Sterne auch für die Anfänge der Galaxis stimmt.

Weil sich die Partner jedes Paares von der Erde aus gesehen gegenseitig verfinstern, konnten die Forschenden mit dem NASA-Satelliten TESS und mehreren Großteleskopen Masse und Größe jedes einzelnen Sterns direkt bestimmen.

Ein Paar ist metallärmer als alle bisher so vermessenen, ein anderes dürfte fast so alt sein wie das Universum, und die gängigen Sternmodelle bestehen an ihnen einen wichtigen Test.

Sternpaare als kosmische Waage

Die Masse eines Sterns lässt sich fast nie direkt messen. Astronomen schätzen sie meist aus Farbe und Helligkeit, und zwar mit Hilfe von Sternmodellen, also Computerrechnungen, die das Leben eines Sterns von der Geburt bis zum Tod nachbilden.

Eine Ausnahme bilden Doppelsterne, deren Bahn so liegt, dass sich die Partner von der Erde aus abwechselnd verdecken.

Aus dem Tempo, mit dem sie einander umkreisen, folgt über die Gesetze der Schwerkraft ihre Masse, und aus der Dauer der Verfinsterungen ihre Größe. Solche Paare dienen deshalb als Eichgewichte, an denen sich jedes Sternmodell messen lassen muss.

Fast alle gut vermessenen Paare ähneln allerdings der Sonne. Astronomen nennen alle Elemente, die schwerer sind als Helium, „Metalle“, und davon enthielten die ersten Sterne kaum etwas, weil das junge Universum fast nur aus Wasserstoff und Helium bestand.

Erst sterbende Sterne reicherten das Gas Generation um Generation mit schwereren Elementen an.

Metallarme Sterne sind deshalb in der Regel alt, und ausgerechnet für sie waren die Modelle am wenigsten geprüft.

Im maßgeblichen Katalog fand sich bislang nur eine Handvoll deutlich metallarmer Paare aus der Milchstraße, weil man Doppelsterne meist über ihr Lichtflackern sucht und dabei vor allem findet, was ohnehin häufig ist.

Wie das Team die seltenen Paare aufspürte

Rowan und seine Kollegen, unter anderem von der Ohio State University und dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, drehten die Suche deshalb um.

Sie begannen mit Sternen, die große Himmelsdurchmusterungen und der europäische Vermessungssatellit Gaia bereits als metallarm eingestuft hatten oder deren Bewegung durch die Galaxis auf eine alte Herkunft hindeutete.

Deren Lichtkurven vom Satelliten TESS durchsuchten sie nach regelmäßigen Verfinsterungen und beobachteten die besten Kandidaten anschließend über viele Monate mit Spektrografen, die das Sternenlicht in seine Farben zerlegen.

Kommt ein Stern auf seiner Bahn auf uns zu, rücken die dunklen Linien in seinem Licht leicht ins Blaue, entfernt er sich, ins Rote, ähnlich wie die Sirene eines vorbeifahrenden Krankenwagens erst höher und dann tiefer klingt.

Die Studie ist bislang ein Preprint, also noch nicht von unabhängigen Fachleuten begutachtet.

Ein Begleiter, der im Spektrum fehlte

Beim metallärmsten Paar mit der Katalogbezeichnung J0001+2156 passte zunächst etwas nicht zusammen.

Die Lichtkurve zeigte zwei Verfinsterungen von fast gleicher Tiefe. Weil bei beiden Einbrüchen ein gleich großes Stück Sternoberfläche verdeckt wird, verrät ihre Tiefe, wie hell die jeweils verdeckte Oberfläche leuchtet, und das sprach für zwei ähnlich heiße Sterne.

Im Spektrum tauchte aber nur ein einziger Stern auf, dessen Linien wegen des geringen Metallgehalts ohnehin so schwach waren, dass ein Partner darin kaum auffiel.

Die Auflösung lag in der Größe.

Der hellere Stern steht kurz davor, den Wasserstoff in seinem Kern aufzubrauchen, und hat sich deshalb deutlich über die Größe der Sonne hinaus aufgebläht, während sein Begleiter klein geblieben ist.

Beide Oberflächen sind ähnlich heiß, doch weil die kleine Scheibe viel weniger leuchtende Fläche besitzt, stammt nur knapp ein Zwölftel des gesamten Lichts von ihr.

Um dieses schwache Signal sichtbar zu machen, nutzte das Team ein Rechenverfahren, das aus vielen Spektren, aufgenommen an verschiedenen Stellen der Umlaufbahn, die Einzelspektren beider Sterne herauslöst, weil sich deren Linien im Takt der Bahn gegeneinander verschieben. Erst so trat der Begleiter hervor.

Ein Sternpaar aus der Jugend der Milchstraße

Mit einem Metallgehalt von rund einem Dreihundertstel des solaren Werts ist J0001+2156 das metallärmste Paar sich gegenseitig verfinsternder Sterne, dessen Massen und Größen bislang direkt bestimmt wurden.

Das entspricht etwa einer Prise Salz, die man statt in einen halben Liter Suppe in eine volle Badewanne streut.

Das älteste Paar der Stichprobe heißt J1916+3828.

Die Sternmodelle schreiben ihm rund 13,8 Milliarden Jahre zu, was im Rahmen der Messunsicherheit an das Alter des Universums heranreicht.

Es gehört zum Halo, einer dünnen, kugelförmigen Sternwolke um die flache Scheibe der Milchstraße, und zieht auf einer extrem langgestreckten Bahn bis dicht an das Zentrum der Galaxis heran.

„Das hohe Alter, die geringe Metallhäufigkeit und die Bahn im Halo fügen sich zu einem stimmigen Bild eines Doppelsterns, der früh in der Geschichte der Milchstraße entstanden ist“, schreiben die Autoren in ihrer Studie.

Was die Messungen für die Sternmodelle bedeuten

Weil beide Sterne eines Paares aus derselben Gaswolke zur selben Zeit entstanden sind, müssen die Modelle ihnen auch dasselbe Alter zuschreiben.

Bei den metallärmsten Paaren gelang das jeweils, was nach Einschätzung der Autoren „die Genauigkeit von Sternmodellen bei niedriger Metallhäufigkeit stützt“.

Schlechter schneiden einfache Faustformeln ab, mit denen Astronomen Masse und Größe unzähliger Einzelsterne aus deren Spektrum abschätzen.

Sie wurden an sonnenähnlichen Sternen geeicht und unterschätzen die Größe metallarmer Sterne umso stärker, je weniger Metall diese enthalten, weshalb das Team sie mit den neuen Daten nachjustiert hat.

Künftig setzt die Gruppe auf den nächsten großen Datensatz von Gaia, der die Zahl solcher Eichpaare vervielfachen könnte, sodass sich Sternmodelle „im großen Stil statt von Fall zu Fall“ prüfen ließen.

Meine Meinung dazu

Mich hat an dieser Arbeit vor allem die umgedrehte Suche beeindruckt. Dass die Kataloge voller sonnenähnlicher Paare stecken, sagt weniger über die Milchstraße aus als über die Art, wie bisher gesucht wurde.

Hängen geblieben ist mir auch der Begleiter von J0001+2156, der fast so heiß ist wie sein Partner und trotzdem im Licht beinahe verschwindet, bloß weil er klein ist. Daran sieht man schön, wie leicht eine naheliegende Deutung in die Irre führt, wenn man nur auf eine einzige Messgröße schaut.

Am meisten bewegt mich aber das Alter. Die beiden Sterne von J1916+3828 umkreisten einander schon, als die Milchstraße noch jung war, lange bevor es die Sonne, die Erde oder irgendein Leben gab, und sie tun es heute noch, ungefähr einmal pro Woche eine Runde.

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Quelle: Dominick M. Rowan (University of California, Berkeley), 20226, arXiv:2609.19248