Garantiert staubig - Herschel beobachtet AGB Sterne

Massenverlust ist der zentrale Faktor im Rahmen der weiteren Sternentwicklung nach der Hauptreihenphase. Stellarer Massenverlust ist auch von hoher Bedeutung für den kosmischen Kreislauf der Materie. Dabei sorgt er sowohl für einen großen Teil des Gesamtrückflusses ins Interstellare Medium als auch für die Anreicherung desselben mit schwereren chemischen Elementen. Unser Projekt widmet sich nun dem Studium von zirkumstellaren Staubhüllen um entwickelte Rote Riesensterne, insb. solchen am sogenannten Asymptotischen Riesenast (AGB). Die AGB-Phase wird von allen Sternen mit kleiner und mittlerer Masse (weniger als 8 Sonnenmassen) durchlaufen. Deswegen ist ihre Untersuchung auch für ein Verständnis der Zukunft unserer eigenen Sonne wichtig. Zusätzlich ist erwähnenswert, dass die Entstehung erdähnlicher Planeten die Existenz von schwereren chemischen Elementen und kosmischen Staub - beide erzeugt durch AGB Sterne - voraussetzt. Der Massenverlust von thermisch pulsierenden AGB-Sternen geschieht in Form eines langsamen (5-25 km/s) Windes mit hohen Massenverlustraten (bis zu 10-4 Sonnenmassen pro Jahr). Während seine Gaskomponente gut von bodengestützten Radioteleskopen beobachtet werden kann (typischerweise durch Moleküllinenemission im mm- bzw. submm-Bereich) kann der Staubanteil im Wesentlichen nur mit Hilfe von Infrarot-Weltraumteleskopen untersucht werden. Trotz seiner hohen Bedeutung und bis in die späten 1960er Jahre zurückreichenden Arbeiten sind heute noch eine Reihe von Fragen zum Massenverlust offen - dies auch nach so erfolgreichen Weltraummissionen wie ISO oder Spitzer: Wie entwickelt sich stellarer Massenverlust über die Zeit? Wie schaut seine Geometrie aus und wie hängt dies mit der späteren Geometrie von weiter entwickelten Objekten wie Planetarischen Nebeln zusammen? Welche Staubspezies werden wo gebildet? Im Rahmen der österreichischen Beteiligung am PACS Instrument für das vor kurzem gestartete Herschel Weltraumteleskop wird durch uns ein beträchtlicher Anteil der österreichischen Garantierten Beobachtungszeit in ein Guaranteed Time Key Project namens MESS investiert. MESS konzentriert sich auf drei Fragestellungen: (1) die zeitliche Entwicklung des Massenverlustprozesses durch Suche nach Staubhüllen um Objekte unterschiedlichen Alters, (2) die Zusammensetzung sowohl der Gas- als auch der Staubkomponente des Massenverlust als Funktion der und (3) eine Untersuchung der geometrischen Eigenschaften dieser Hüllen. Als internationales Großprojekt deckt MESS auch Aspekte von massiveren und weiter entwickelten Objekten ab, die aber nicht Gegenstand des vorgeschlagenen FWF Projekts sind. Zusammengefasst erlaubt unser einmaliges Herschel Beobachtungssample aus sorgfältig repräsentativ ausgewählten AGB-Sternen mit unterschiedlicher Chemie, Entwicklungsphase und Hauptreihenmasse die wesentlichen Player im Staubkreislauf von Galaxien wie unserer Milchstraße zu isolieren bzw. zu charakterisieren. Durch Herschels hohe räumliche Auflösung, seinem großen Gesichtsfeld, seiner hohen Empfindlichkeit, seines großen Wellenlängenbereichs wird unser PACS Imaging und Spektroskopie zu einer signifikanten Verbesserung des Verständnisses des Massenverlustprozesses bei AGB-Sternen führen.

Sterne, wie auch unsere eigene Sonne, verlieren am Ende ihres Lebens den Großteil ihrer Materie und reichern damit das interstellare Medium, aus dem sich in weitere Folge neue Sterne bilden können, mit schwereren chemischen Elementen an eine Voraussetzung für die Entstehung von Planeten und in weiterer Folge des Lebens. Diese aufgeblähten Roten Riesensterne, deren Kohlenstoff-Sauerstoffkern inaktiv ist, beziehen ihre Leuchtkraft von instabil brennenden Helium- und Wasserstoffschalen. Die Sternhülle beginnt aufgrund der äußeren Brennschalen stark zu expandieren, so dass Sterne in diesem Stadium einen Radius größer als den Erde-Sonne-Abstand haben können. Der Stern entwickelt gleichzeitig einen starken Sternwind, der große Mengen an Staub und Gas in die Umgebung transportiert. Kommt es nun zu einem episodischen Neuzünden des instabilen Heliumbrennens steigt kurzfristig der Massenverlust an und gleich einem Rauchring wandert eine Staub- und Gasblase vom Stern weg. Dies zeigte sich z.B. schön auf Bildern des Herschel-Satelliten als kreisförmige Staubringe, die in den letzten paar tausend Jahren mit Geschwindigkeiten von typisch 15 km/s von den jeweiligen Sternen ausgestoßen wurden. Etwaige Doppelsternpartner verändern nun die abströmenden Hüllen, und teilweise entstehen sogar spiralige Formen. Auch die Wechselwirkung dieser Ausflüsse mit der umgebenden interstellaren Materie führt zu charakteristischen morphologischen Veränderungen.All diese unterschiedlichen Erscheinungsformen des stellaren Massenverlustes, und hier insb. seine staubige Komponente, wurden mit den konkurrenzlos scharfen und hochempfindlichen Instrumenten des Herschel-Satelliten beobachtet und detailliert untersucht. Im Rahmen des FWF Projektes wurden zuerst die Datenreduktionsverfahren verfeinert, die Analysemethoden adaptiert und schließlich auch größere Objektgruppen von solchen sterbenden Sternen systematisch verglichen. Ergänzend zu den Herschelbeobachtungen wurden die innersten Regionen nahe der Sternoberfläche mit dem ESO Very Large Telescope Interferometer studiert sowie, stellvertretend für das ausströmende Gas Kohlenmonoxid mit dem Radiointerferometer ALMA untersucht. Auch da zeigten sich überraschende morphologische Strukturen. Beim Stern R Sculptoris führt ein bisher unerkannter Begleitstern, ähnlich dem Umrühren in einer Suppe zu starken, spiralförmigen Verwirbelungen, die uns eine Rekonstruktion der letzten Jahrtausende Massenverlust ermöglichen. Dies ist ein Beispiel für die nun angedachten Nachfolgeprojekte. Diese sind von durchaus allgemeiner Bedeutung, da einerseits unsere Sonne dereinst - in etwa 5. Mrd. Jahren - in vergleichbare Entwicklungsphasen kommen wird und andererseits das Universum als Ganzes in seiner Zusammensetzung maßgeblich von Massenverlustprozessen vergleichbarer Sterne chemisch verändert wird.