Episodische Akkretion im Sternentstehungsprozess

Herkömmliche Modelle sagen voraus, dass sich Sterne wie unsere eigene Sonne in einem gravitationellen Kollaps einer interstellaren Wolke bilden, die im Wesentlichen aus Wasserstoff mit kleinen Beimengungen von Staub besteht. In diesem einfachen Bild landet die Materie aus der Wolke direkt auf dem Stern, welcher damit Schritt für Schritt zu seiner endgültigen Masse anwächst, bis die ursprüngliche Wolke verschwunden ist. Allerdings zeigen neue Beobachtungen, dass diese klassischen Modelle die verschiedenen Massezuwachsraten in Sternentstehungsgebieten nicht richtig erklären. Ein spektakuläres Beispiel für das Versagen dieser Modelle sind die FU Orionis-Objekte (FUors); diese zeigen Helligkeitszunahmen um Faktoren von mehreren hundert während Jahrzehnten bis Jahrhunderten. Für solche Ausbrüche werden drastische Zunahmen der stellaren Zuwachsraten verantwortlich gemacht; unsere Sonne könnte in ihren jungen Jahren solchen Ausbrüchen ausgesetzt gewesen sein. Solche Ausbrüche können mit Hilfe der Rotation der anfänglichen Wolke erklärt werden. Wenn sich die Wolke zusammenzieht, beginnt sie wie ein Eiskunstläufer schneller zu rotieren; die Erhaltung des Drehimpulses führt zur Entstehung einer Gasscheibe um den Stern. In diesem realistischeren Modell landet das Wolkenmaterial zuerst auf der Scheibe und wird dann durch diese zum Stern hinunter transportiert. Es stellt sich heraus, dass zirkumstellare Scheiben instabil werden können, indem sich periodisch dichte Klumpen bilden, die auf den Stern getrieben werden. Wie beim Einwerfen von Holzstücken in ein Feuer produzieren diese Masseansammlungen zusätzliche Energie. Deshalb können junge Sterne vorübergehend um hunderte bis tausende Mal heller werden und sich damit zu einem FUor entwickeln. Massezuwachses verdichtet, in dem Materie sehr unregelmäßig auf den Stern fällt, anders als in den kontinuierlichen klassischen Modellen. Die Frage ist deshalb, wie wichtig diese Ausbrüche und generell der episodische Massezuwachs für den Sternentstehungsprozess sind. Dieses gemeinsame schweizerisch-österreichische Projekt zielt darauf ab, das Problem des episodischen Massezuwachses sowohl auf der Beobachtungs- wie der Theorieseite anzugehen. Numerische Modelle werden angewendet, um die Ursache des Mechanismus der Ausbrüche zu untersuchen sowie deren Auswirkungen auf die Chemie der zirkumstellaren Hüllen und Scheiben junger Sterne. Damit werden wir wertvolle Voraussagenfür zukünftige Beobachtungen machen.Weltraum-undbodengestützte Beobachtungsdaten werden im Zusammenhang mit numerischen Modellen ausgewertet, um Auswirkungen der episodischen Ausbrüche direkt zu finden. Umgekehrt werden uns die Daten helfen, unsere Modelle des episodischen Massezuwachses einzuschränken und zu verfeinern.

Infolge der Weiterentwicklung moderner Weltraum- und Bodenteleskope hat sich unser Verständnis über die Entstehung von Sternen und Planeten in den letzten Jahrzehnten erheblich verbessert. Eine Klasse junger Protosterne, die sogenannten FUors, benannt nach ihrem Prototyp FU Orionis aus dem Sternbild Orion, weißt jedoch noch immer Rätsel auf. FUors zeichnen sich durch spontane und unvorhersehbare Helligkeitsausbrüche aus, die Jahrzente oder sogar Jahrhunderte lang andauern können. Während dieser Ausbrüche kann die emittierte Energie um das Hundertfache zunehmen. Unsere Resultate bringen den Kenntnisstand über diese rätselhaften stellaren Objekte auf ein neues Niveau. Wir können zeigen, dass in den meisten jungen Sternen, mit Massen von einer bis zu zehn Sonnenmassen, Helligkeitsausbrüche vorkommen. Diese werden von Gas- und Staubklumpen ausgelöst, die sich in der zirkumstellaren Scheibe bilden und auf den Stern akkretieren. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Entstehung von Sternen gewissen Gesetzmäßigkeiten unterliegt, die unabhängig von der Sternmasse gültig sind. Um FUors zu untersuchen, verwenden wir numerische Modelle, die mit Beobachtungen an den Spitzer- und Herschel-Weltraumteleskopen ergänzt werden. Dabei hat sich gezeigt, dass Helligkeitsausbrüche in der zirkumstellaren Umgebung lang anhaltende Spuren hinterlassen, welche die Form von spektakulären Jets, die eine charakteristische, knotenartige Struktur aufweisen, und Ringe aus Kohlenmonoxid haben. Eine andere Klasse rätselhafter stellarer Objekte, deren Helligkeit nur ein Zehntel des Wertes der Sonne beträgt, scheint eng mit den FUors verbunden zu sein. Dabei beruhen die stellaren Eigenschaften auf einem gemeinsamen Prozess; der variablen Akkretion mit episodischen Helligkeitsausbrüchen. Wir folgern aus unseren Resultaten, dass FUor-Ausbrüche für die chemische Synthese und die Bildung der ersten Planetessimale innerhalb der zirkumstellaren Scheibe von grundlegender Bedeutung sein können. Darüberhinaus deuten Daten aus Meteoriten, die aus den Anfangsstadien unseren Sonnensystems stammen, auf die Existenz solcher Helligkeitsausbrüche unserer Sonne hin.