Ein Stern in einer anderen Galaxie ist erstmals mit einer vergrößerten interferometrischen Aufnahme untersucht worden. Das Objekt WOH G64 liegt rund 160.000 Lichtjahre entfernt in der Großen Magellanschen Wolke und ist von einem auffällig länglichen Staubkokon umgeben. Die Aufnahme zeigt deshalb nicht seine Oberfläche, sondern das Material direkt in seiner Umgebung. Zugleich sprechen die Messungen dafür, dass sich der sterbende Rote Überriese innerhalb weniger Jahre deutlich verändert hat.
Die Beobachtung gelang einem Team um Keiichi Ohnaka von der Universidad Andrés Bello in Chile. Dafür nutzten die Astronomen das Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte ESO und dessen Instrument GRAVITY. Die Ergebnisse erschienen am 21. November 2024 in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics. Die Europäische Südsternwarte beschreibt die Aufnahme als erstes vergrößertes Bild eines Sterns außerhalb der Milchstraße.
WOH G64 befindet sich in der Großen Magellanschen Wolke, einer kleinen Galaxie, die unsere Milchstraße umkreist. Obwohl das Objekt seit Jahrzehnten bekannt ist, ließ es sich bislang nicht auf diese Weise abbilden. Innerhalb der Milchstraße existierten zuvor bereits Nahaufnahmen von ungefähr zwei Dutzend Sternen. Bei einem Stern in einer anderen Galaxie war die räumliche Auflösung dafür bisher nicht ausreichend.
WOH G64 gehört zu den Roten Überriesen und wird wegen seiner außergewöhnlichen Größe seit Langem als „Behemoth-Stern“ bezeichnet. Sein Durchmesser entspricht ungefähr dem 2.000-Fachen des Sonnendurchmessers. Die Entfernung von rund 160.000 Lichtjahren macht ihn trotz seiner enormen Leuchtkraft zu einem schwierigen Beobachtungsziel. Selbst leistungsfähige Teleskope können aus dieser Distanz normalerweise nicht ohne Weiteres Einzelheiten seiner unmittelbaren Umgebung trennen.
Die Größenangabe beschreibt den Stern im astronomischen Vergleich, nicht den sichtbaren Durchmesser in der veröffentlichten Aufnahme. Der Stern selbst ist dort gerade nicht als klar abgegrenzte Scheibe zu erkennen. Zwischen ihm und dem Beobachter liegt eine dichte Umgebung aus Gas und Staub, die einen großen Teil seiner Strahlung abschirmt. Die Aufnahme macht vor allem sichtbar, wie diese Materie im innersten Bereich verteilt ist.
Rote Überriesen befinden sich in einer späten Entwicklungsphase massereicher Sterne. Ihre äußeren Schichten verlieren zunehmend Gas und Staub, die sich anschließend in der Umgebung ausbreiten. Dieser Prozess kann sich über Tausende Jahre erstrecken. Am Ende ihrer Entwicklung können solche Sterne als Supernova explodieren und dabei einen großen Teil ihrer Materie in den Weltraum schleudern. Für WOH G64 lässt sich daraus jedoch kein konkreter Explosionstermin ableiten.
Die entscheidende technische Voraussetzung war das Instrument GRAVITY am Very Large Telescope Interferometer in Chile. Ein Interferometer kombiniert das Licht mehrerer räumlich getrennter Teleskope. Die einzelnen Teleskope liefern dabei nicht einfach mehrere Bilder, die später nebeneinandergelegt werden. Stattdessen werden ihre Lichtsignale so zusammengeführt, dass die Anlage eine Winkelauflösung erreicht, die einem deutlich größeren Einzelteleskop entsprechen kann.
Das VLTI kann dafür die vier großen Unit-Teleskope mit jeweils acht Metern Spiegeldurchmesser oder kleinere Auxiliary-Teleskope zusammenschalten. Bei den Beobachtungen von WOH G64 kamen die Auxiliary-Teleskope zum Einsatz. GRAVITY erfasste das Licht im nahen Infrarot zwischen 2,0 und 2,45 Mikrometern. Die Messungen fanden im Dezember 2020 statt und nutzten zwei unterschiedliche Konfigurationen der Teleskope mit einer maximalen projizierten Basislinie von 129 Metern.
Aus den gemessenen Signalen rekonstruierten die Forschenden anschließend ein Bild. Dafür verwendeten sie zwei unabhängige Verfahren namens IRBis und MiRA. Beide lieferten eine kompakte, längliche Struktur. Dass unterschiedliche Rekonstruktionsverfahren ein ähnliches Ergebnis hervorbrachten, stärkt die Interpretation der grundlegenden Form. Es bleibt dennoch ein aus interferometrischen Messdaten berechnetes Bild und keine gewöhnliche Fotografie mit einer Kamera.
Frühere Messungen hatten die Staubumgebung bereits teilweise aufgelöst. In den Jahren 2005 und 2007 nutzte das Team dafür das ältere VLTI-Instrument MIDI. Dieses konnte das Licht von zwei Teleskopen kombinieren, lieferte aber keine vollständige Bildrekonstruktion wie die spätere GRAVITY-Beobachtung. Erst die verbesserte Empfindlichkeit und die Kombination von vier Teleskopen ermöglichten den neuen Blick auf die innere Umgebung des Sterns.
Die rekonstruierte Struktur besitzt eine deutlich gestreckte Form. Ihre große Achse misst ungefähr vier Millibogensekunden, die kleinere etwa drei Millibogensekunden. Für die Astronomen ist diese Asymmetrie besonders interessant, weil ältere Modelle eher eine anders ausgerichtete und stärker ringförmige Staubumgebung erwarten ließen. Die neue Aufnahme legt nahe, dass das Material nahe am Stern nicht gleichmäßig in alle Richtungen verteilt ist.
Die Oberfläche des Roten Überriesen bleibt in dieser Darstellung verborgen. Die zentrale Lichtquelle erscheint nicht eindeutig als eigener Punkt. Nach Einschätzung der Autoren kann der Stern entweder sehr lichtschwach im rekonstruierten Bild sein oder vollständig von Staub verdeckt werden. Wer die Aufnahme betrachtet, sieht daher den Kokon und die kompakte Emission seiner inneren Umgebung, nicht die sichtbare Oberfläche des Sterns selbst.
In den rekonstruierten Bildern ist außerdem eine schwache elliptische Ringstruktur zu erkennen. Ihre Helligkeit erreicht höchstens etwa drei Prozent des Spitzenwerts. Die Struktur könnte den inneren Rand einer Staubscheibe oder eines Staubtorus markieren. Ein solcher Torus wäre eine ringförmige Ansammlung von Staub um den Stern. Die Forschenden betonen jedoch, dass sich diese Deutung noch nicht bestätigen lässt: Die Ringstruktur liegt nahe einer möglichen Nebenkeule der Bildrekonstruktion und könnte teilweise ein technisches Artefakt sein.
Die auffällige längliche Form lässt mehrere Erklärungen zu. WOH G64 könnte Materie bevorzugt in bestimmte Richtungen ausstoßen, etwa in einem bipolaren Ausfluss. Ebenso könnte ein bislang unentdeckter Begleitstern die Verteilung des Materials beeinflussen. Massive Sterne treten häufig in Mehrfachsystemen auf; die Schwerkraft eines Begleiters kann Gasströme und Staubwolken formen. Die vorliegenden Beobachtungen reichen aber nicht aus, um zwischen diesen Möglichkeiten zu entscheiden.
Neben der Form des Kokons fiel den Forschenden eine Veränderung im Licht von WOH G64 auf. Vergleiche mit älteren Beobachtungen zeigen, dass der Beitrag des Sterns zur Strahlung bei 2,2 Mikrometern im Jahr 2020 deutlich geringer war, als es das frühere Staubtorus-Modell erwarten ließ. Auch das Spektrum im nahen Infrarot sieht anders aus als in älteren Messungen. Vor 2003 waren darin deutliche Absorptionsmerkmale von Wassermolekülen erkennbar, die für die Atmosphäre eines kühlen Roten Überriesen typisch sind.
In den späteren Spektren ab 2016 steigt die gemessene Kontinuumsstrahlung dagegen mit zunehmender Wellenlänge an. Die Wasserdampfmerkmale sind viel schwächer ausgeprägt. Nach der Auswertung dürfte sich dieser Wandel zwischen Dezember 2009 und 2016 vollzogen haben. Weil für einige Jahre nur wenige Messungen vorliegen, lässt sich der genaue Beginn nicht bestimmen. Zudem können Rote Überriesen Helligkeit und Spektralmerkmale im Verlauf ihrer natürlichen Pulsationen verändern.
Die Autoren halten eine zusätzliche Bildung heißen Staubs nahe am Stern für eine plausible Erklärung. Frisch entstandene Staubkörner können einen Teil der Sternstrahlung absorbieren und anschließend selbst im Infrarotbereich abstrahlen. Dadurch verändert sich die Form des gemessenen Spektrums, während der Blick auf die zentrale Sternregion stärker abgeschirmt wird. Diese Interpretation verbindet die schwächere sichtbare Sternkomponente mit der neu rekonstruierten kompakten Staubstruktur.
Eine vollständige Erklärung ist damit noch nicht erreicht. Im mittleren Infrarot zeigte eine Messung aus dem Jahr 2022 ein Silikatmerkmal, das mit älteren Spektren aus den Jahren 2005 und 2007 weitgehend übereinstimmt. Die Veränderung betrifft also nicht einfach jede Wellenlänge gleichermaßen. Die Autoren weisen außerdem darauf hin, dass die absolute Helligkeit verschiedener Datensätze nicht ohne Weiteres direkt vergleichbar ist, weil die Kalibrierung der Spektren Unsicherheiten aufweist.
WOH G64 bietet damit eine seltene Gelegenheit, Veränderungen in der Umgebung eines extremen Roten Überriesen räumlich und zeitlich zu untersuchen. Die Kombination aus einer veränderten Infrarotstrahlung und der länglichen Staubstruktur passt zu einem Stern, dessen Materieverlust in seiner späten Entwicklungsphase nicht gleichmäßig abläuft. Solche Prozesse sind für die Astronomie wichtig, weil sie beeinflussen, wie massereiche Sterne ihre äußeren Schichten verlieren und welche Materie sie vor einer Supernova an ihre Umgebung abgeben.
Weitere Messungen sollen klären, ob der schwache äußere Ring tatsächlich existiert und wie der Staubkokon dreidimensional aufgebaut ist. Auch die mögliche Rolle eines Begleitsterns oder eines gerichteten Materieausflusses bleibt offen. Die ESO verweist auf das geplante Upgrade GRAVITY+, das die Empfindlichkeit des Instruments verbessern soll. Damit könnten künftig auch lichtschwächere Strukturen untersucht werden, die mit der bisherigen Ausstattung schwer zu erfassen sind.
Die Aufnahme ist deshalb mehr als ein besonders scharfes Bild eines fernen Sterns. Sie zeigt, dass sich die unmittelbare Umgebung eines einzelnen Sterns in einer anderen Galaxie inzwischen mit interferometrischen Verfahren rekonstruieren lässt. Bei WOH G64 liegt der wissenschaftliche Gewinn gerade darin, dass der Staub nicht nur ein Hindernis für die Beobachtung ist: Seine Form und seine veränderte Infrarotstrahlung liefern Hinweise darauf, wie der Stern Material verliert, während er sich seinem letzten Entwicklungsabschnitt nähert.
Titelbild: Nahaufnahme von WOH G64 und künstlerische Rekonstruktion von ESO/K. Ohnaka et al., L. Calçada, ESO, Lizenz CC BY 4.0, zugeschnitten.
Ohnaka et al., Imaging the innermost circumstellar environment of the red supergiant WOH G64 in the Large Magellanic Cloud, Astronomy & Astrophysics 691, L15 (2024); doi:10.1051/0004-6361/202451820
European Southern Observatory (ESO), Astronomers take the first close-up picture of a star outside our galaxy
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