Wie berechnen Wissenschaftler das Alter eines Sterns?

Wir wissen ziemlich viel über Sterne. Nach Jahrhunderten des Ausrichtens von Teleskopen auf den Nachthimmel können Astronomen und Amateure die wichtigsten Eigenschaften eines jeden Sterns wie seine Masse oder seine Zusammensetzung herausfinden.

Um die Masse eines Sterns zu berechnen, schauen Sie sich einfach seine Umlaufzeit an und machen Sie ein bisschen Algebra. Um zu bestimmen, woraus er besteht, sehen Sie sich das Lichtspektrum des Sterns an. Aber die einzige Variable, die Wissenschaftler noch nicht ganz geknackt haben, ist die Zeit.

„Die Sonne ist der einzige Stern, dessen Alter wir kennen“, sagt der Astronom David Soderblom vom Space Telescope Science Institute in Baltimore. „Alles andere wird von dort hochgeladen.“

Selbst gut untersuchte Sterne überraschen Wissenschaftler hin und wieder. Im Jahr 2019, als der rote Überriese Beteigeuze verdunkelte, waren sich die Astronomen nicht sicher, ob er nur eine Phase durchmachte oder ob eine Supernova-Explosion unmittelbar bevorstand. (Es stellte sich heraus, dass es nur eine Phase war.) Die Sonne hat auch die Dinge aufgewühlt, als Wissenschaftler bemerkten, dass sie sich nicht wie andere Sterne mittleren Alters verhielt. Er ist magnetisch nicht so aktiv wie andere Sterne gleichen Alters und gleicher Masse. Das deutet darauf hin, dass Astronomen die Zeitachse des Mittelalters möglicherweise nicht vollständig verstehen.

Berechnungen auf der Grundlage der Physik und indirekte Messungen des Alters eines Sterns können Astronomen Schätzungen liefern. Und einige Methoden funktionieren besser für verschiedene Arten von Sternen. Hier sind drei Möglichkeiten, wie Astronomen das Alter eines Sterns berechnen.

Hertzsprung-Russell-Diagramme

Wissenschaftler haben einen ziemlich guten Überblick darüber, wie Sterne geboren werden, wie sie leben und wie sie sterben. Sterne verbrennen zum Beispiel ihren Wasserstofftreibstoff, blähen sich auf und stoßen schließlich ihre Gase in den Weltraum aus, sei es mit einem Knall oder einem Wimmern. Aber wenn genau jede Phase des Lebenszyklus eines Sterns passiert, wird es kompliziert. Je nach Masse treffen bestimmte Sterne diese Punkte nach einer anderen Anzahl von Jahren. Massivere Sterne sterben jung, während weniger massereiche Sterne Milliarden von Jahren brennen können.

Um die Jahrhundertwende kamen zwei Astronomen – Ejnar Hertzsprung und Henry Norris Russell – unabhängig voneinander auf die Idee, die Temperatur von Sternen gegen ihre Helligkeit aufzuzeichnen. Die Muster in diesen Hertzsprung-Russell- oder HR-Diagrammen entsprachen der Position verschiedener Sterne in diesem Lebenszyklus. Heute verwenden Wissenschaftler diese Muster, um das Alter von Sternhaufen zu bestimmen, deren Sterne vermutlich alle gleichzeitig entstanden sind.

Der Vorbehalt ist, dass diese Methode nur für Sterne in Sternhaufen oder durch den Vergleich der Farbe und Helligkeit eines einzelnen Sterns mit theoretischen HR-Diagrammen verwendet werden kann, es sei denn, Sie betreiben viel Mathematik und Modellierung. „Es ist nicht sehr genau“, sagt Astronom Travis Metcalfe vom Space Science Institute in Boulder, Colorado, „aber es ist das Beste, was wir haben.“

Rotationsrate

In den 1970er Jahren bemerkten Astrophysiker einen Trend: Sterne in jüngeren Sternhaufen drehen sich schneller als Sterne in älteren Sternhaufen. 1972 schlug der Astronom Andrew Skumanich anhand der Rotationsrate und der Oberflächenaktivität eines Sterns eine einfache Gleichung vor, um das Alter eines Sterns abzuschätzen: Rotationsrate = (Alter) ^-½.

Dies war jahrzehntelang die bevorzugte Methode für einzelne Sterne, aber neue Daten haben ihre Nützlichkeit beeinträchtigt. Es stellt sich heraus, dass einige Stars nicht langsamer werden, wenn sie ein bestimmtes Alter erreichen. Stattdessen behalten sie für den Rest ihres Lebens die gleiche Rotationsgeschwindigkeit bei.

„Rotation ist das Beste, was man für Sterne verwenden kann, die jünger als die Sonne sind“, sagt Metcalfe. Für Sterne, die älter als die Sonne sind, sind andere Methoden besser.

Stellare Seismologie

Die neuen Daten, die bestätigten, dass die Rotationsrate nicht der beste Weg war, das Alter eines einzelnen Sterns abzuschätzen, stammten aus einer unwahrscheinlichen Quelle: dem Kepler-Weltraumteleskop, das Exoplaneten jagt. Kepler war nicht nur ein Segen für die Exoplanetenforschung, sondern hat die stellare Seismologie in den Vordergrund gerückt, indem er einfach wirklich lange auf dieselben Sterne starrte.

Das Flackern eines Sterns kann Hinweise auf sein Alter geben. Wissenschaftler betrachten Veränderungen der Helligkeit eines Sterns als Indikator dafür, was unter der Oberfläche passiert, und berechnen durch Modellierung grob das Alter des Sterns. Dazu braucht man einen wirklich großen Datensatz über die Helligkeit des Sterns – den das Kepler-Teleskop liefern könnte.

„Alle denken, es ginge nur darum, Planeten zu finden, was wahr war“, sagt Soderblom. „Aber ich sage gerne, dass die Kepler-Mission eine Stealth-Stellarphysik-Mission war.“

Dieser Ansatz half dabei, die magnetische Midlife-Crisis der Sonne aufzudecken und lieferte kürzlich einige Hinweise auf die Entwicklung der Milchstraße. Vor etwa 10 Milliarden Jahren kollidierte unsere Galaxie mit einer Zwerggalaxie. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Sterne, die von dieser Zwerggalaxie zurückgelassen wurden, jünger oder ungefähr gleich alt sind wie Sterne, die ursprünglich aus der Milchstraße stammten. Somit könnte sich die Milchstraße schneller entwickelt haben als bisher angenommen.

Wenn Weltraumteleskope wie das TESS der NASA und das CHEOPS der Europäischen Weltraumorganisation CHEOPS neue Himmelsbereiche untersuchen, können Astrophysiker mehr über den Lebenszyklus von Sternen erfahren und neue Schätzungen für mehr Sterne abgeben.

Abgesehen von der Neugier auf die Sterne in unserem eigenen Garten hat das Sternenalter Auswirkungen über unser Sonnensystem hinaus, von der Planetenentstehung bis zur Entwicklung von Galaxien – und sogar die Suche nach außerirdischem Leben.

„Eines Tages – es wird wahrscheinlich eine Weile dauern – wird jemand behaupten, auf einem Planeten um einen anderen Stern Lebenszeichen zu sehen. Die erste Frage, die die Leute stellen werden, ist: ‚Wie alt ist dieser Star?’“, sagt Soderblom. „Das wird eine schwer zu beantwortende Frage sein.“