Das Herz des Nebels - Tanzende Weiße Zwerge im Universum

Der planetarische Nebel Fleming 1, aufgenommen vom Very Large Telescope der ESO   Foto: ESO/H. Boffin

Ein Pärchen umeinander kreisender sogenannter Weißer Zwerge haben Astronomen nun mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO im Zentrum eines eindrucksvollen planetarischen Nebels  entdeckt. Die Theorie über ein mit planetarischen Nebeln assoziiertes spektakuläres Phänomen, dass Material, in entgegengesetzte Richtungen symmetrisch ausgestoßen wird, ist in Fachkreisen lange diskutiert worden. Diese Entdeckung wurde in einem Fachartikel vom 9. November 2012 in der Fachzeitschrift Science beschrieben.

Als Weiße Zwerge bezeichnet man sonnen-ähnliche Sterne am Ende ihres Lebens. Planetarische Nebel sind die leuchtenden Schalen aus heißem Gas, die Weiße Zwerge umgeben und haben trotz ihres Namens nichts mit Planeten zu tun. Die Bezeichnung stammt noch aus dem 18. Jahrhundert, als man mit den kleinen Teleskopen die Nebel-Scheiben noch mit Planeten verwechseln konnte.

Fleming 1 ist ein gutes Beispiel für einen planetarischen Nebel mit zwei auffällig symmetrische Jets (Gasströme) mit knotenartigen, geschwungenen Strukturen. Fleming 1 befindet sich im südlichen Sternbild Centaurus.

Um die Entstehung derartig symmetrischer Jets besser verstehen zu können, untersuchten die Astronomen dabei mit dem VLT am Paranal-Observatorium in Chile das Licht des Sterns in der Mitte des planetarischen Nebels. Dabei stellte sich heraus, dass es sich bei dem Zentralstern von Fleming 1 wahrscheinlich nicht nur um einen, sondern gleich um zwei Weiße Zwerge handelt, die einander einmal alle 1,2 Tage umkreisen. Dies ist nicht der erste Nachweis eines  Doppelsterns im Zentrum eines planetarischen Nebels, dass dies aber zwei Weiße Zwerge sind, scheint doch äußerst selten. 

„Der Ursprung der ebenso wunderschönen wie komplexen Strukturen von Fleming 1 und anderen ähnlichen planetarischen Nebeln ist jahrzehntelang kontrovers diskutiert worden”, erläutert Henri Boffin. „Die Astronomen hatten zwar schon zuvor Doppelsternsysteme als Verursacher im Auge, aber bisher ist man immer davon ausgegangen, dass die beiden Komponenten sehr weit auseinander stünden und dementsprechend eine Umlaufdauer von mindestens zehn Jahren haben müssten. Mit den Beobachtungsdaten von Fleming 1 und unseren Computermodellen konnten wir dieses ungewöhnliche System bis ins letzte Detail analysieren und dabei wenn auch indirekt mitten in das Herz des Nebels schauen. Dabei haben wir festgestellt, dass sich die beiden Sterne mehrere tausend Mal näher stehen als erwartet.”

Wenn ein Stern mit einer Masse von bis zu dem achtfachen Wert der Sonne sich dem Ende seines Lebens nähert, stößt er seine äußeren Schichten ab und verliert damit einen Großteil seiner Masse. Starke Strahlung aus dem heißen Kernbereich des Sterns lässt die nach außen driftende Hülle später als planetarischen Nebel hell aufleuchten.

Während Sterne meist kugelförmig sind, zeigen viele planetarische Nebel ein auffallend komplexes Aussehen mit knotenartigen Verdickungen, Filamenten und dichten Jets aus Materie, die verschlungenen Mustern folgen. Einige der eindrucksvollsten planetarischen Nebel zeigen punkt-symmetrische Strukturen. Im Fall von Fleming 1 bildet das Material von den Polen ausgehend S-förmige Ausflüsse. Diese Muster werden durch die gegenseitige Wechselwirkung, dem Tanz  eines Paares weißer Zwergsterne verursacht – es handelt sich sozusagen um den Schwanengesang eines Sternen-Paares.

„Mithilfe der Simulation des Doppelsternsystems im Zentrum von Fleming 1 lässt sich die Entstehung der wirklich eindrucksvollen Strukturen des planetarischen Nebels ganz hervorragend beschreiben”, ergänzt Ko-Autor Brent Miszalski von SAAO und SALT in Südafrika.

Das Weiße-Zwerge-Pärchen in der Mitte des Nebels ist direkt für das Aussehen des Nebels verantwortlich. Die beiden sonnen-ähnlichen Sterne dehnten sich aus als Zeichen ihres nahenden Endes. Dabei wurde einer der beiden zeitweise zu einem stellaren Vampir, der Materie des anderen Sterns aufsaugte. Dieses Material sammelte sich zunächst in einer sogenannten Akkretionsscheibe rund um den Stern an. Eine solche Scheibe bildet sich, wenn der von einem Stern abströmende Materiefluss eine bestimmte Grenze – das sogenannte Roche-Volumen – überschreitet. Innerhalb dieser Region ist die Materie im Gravitationsfeld des Sterns gefangen und kann nicht entkommen. Sobald die Grenze überschritten wird, bewegt sich die Materie vom Stern weg und kann sich zum Beispiel in einer Akkretionsscheibe um den zweiten Stern in einem Doppelsternsystem sammeln.

Beim gegenseitigen Umlauf kam es zu Wechselwirkungen beider Sterne mit der Scheibe, so dass diese begann, wie ein schief stehender Kreisel zu schwanken. Diese „Präzessionsbewegung“ beeinflusst auch Materie, die von den Polen in Form von Jets senkrecht zur Akkretionsscheibe nach außen getrieben wird. Die neue Studie hat bestätigt, dass präzidierende Akkretionsscheiben in Doppelsternsystemen die symmetrischen Muster um planetarische Nebel wie Fleming 1 erzeugen.

Tiefe Aufnahmen mit dem VLT haben außerdem zur Entdeckung eines knotigen Rings aus Materie im innersten Bereich des Nebels geführt. Derartige Ringe hatte man auch schon bei anderen Typen von Doppelsternsystemen beobachtet; offenbar sind sie ein verräterisches Anzeichen für die Anwesenheit eines solchen Sternenpaares.

„Unsere Ergebnisse haben einmal mehr bestätigt, dass die Wechselwirkung zweier Sterne für die Form und vielleicht sogar für die Bildung planetarischer Nebel von großer Bedeutung sind”, schließt Boffin. (sfr/ESO)

Video zum Artikel: Faszinierendes Video: Sternentanz im planetarischen Nebel Fleming 1

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse von Boffin et al. erscheinen am 9. November 2012 unter dem Titel „An Interacting Binary System Powers Precessing Outflows of an Evolved Star ” in der Fachzeitschrift Science.