Den Homo sapiens gab es schon, als im Orionnebel vor rund 200.000 Jahren wohl zwei Sterne zu einem Riesen mit 33,5 Sonnenmassen verschmolzen. Simulationen der Universität Leiden erklären damit, warum der Nebel jünger wirkt als seine rund eine Million Jahre alten Sterne. Noch ist das ein Modell, kein Beweis.
Vor rund 200.000 Jahren sind im Herzen des Orionnebels wohl zwei Sterne zu einem einzigen verschmolzen. Das berichten Maite Wilhelm und Simon Portegies Zwart von der Sternwarte Leiden sowie Alessandro Trani von der Universität Concepción in Chile im Fachjournal Astronomy & Astrophysics. Der Zusammenstoß würde ein Altersrätsel lösen, das Astronomen seit Jahrzehnten beschäftigt. Die Planetenscheiben und die Gashülle des Nebels wirken nämlich viel jünger als seine rund eine Million Jahre alten Sterne. Den Homo sapiens gab es damals bereits, seine ältesten bekannten Fossilien aus Jebel Irhoud in Marokko sind rund 300.000 Jahre alt. Der schwerste Stern des Nebels wäre in seiner heutigen Form also wohl jünger als die Menschheit. Noch beruht das allerdings auf Simulationen und nicht auf einer direkten Beobachtung.
Im Fachartikel selbst ist vorsichtiger von einer Aufhellung vor einigen hunderttausend Jahren die Rede, die Zahl von rund 200.000 Jahren nennen die Forscher in ihrer Pressemitteilung. Im Mittelpunkt steht Theta-1 Orionis C1, der mächtigste Stern des Trapez, einer Gruppe heller junger Sterne im Zentrum des Nebels. Er bringt rund 33,5 Sonnenmassen auf die Waage und hat einen Begleiter mit etwa zwölf Sonnenmassen, der ihn alle 11,28 Jahre auf einer langgestreckten Bahn umrundet. Seine enorme Strahlung formt den gesamten Nebel. Den Orionnebel selbst kann jeder im Winter mit bloßem Auge als verwaschenen Fleck unterhalb der drei Gürtelsterne des Orion sehen. Die riesige Wolke aus Gas und Staub liegt rund 1.350 Lichtjahre entfernt, in ihr entstehen bis heute neue Sterne.
Das erste Rätsel betrifft die sogenannten Proplyds. Das Weltraumteleskop Hubble entdeckte diese kometenförmigen Gebilde Anfang der 1990er-Jahre im Orionnebel. Es handelt sich um junge Sterne, die noch von Scheiben aus Gas und Staub umgeben sind, aus denen später Planeten entstehen können. Die Strahlung von Theta-1 Orionis C1 heizt diese Scheiben auf und bläst Material davon, sodass sie wie Kaulquappen mit einem Schweif aussehen. Messungen zeigen, dass manche Scheiben dabei bis zu einer millionstel Sonnenmasse pro Jahr verlieren. Bei einem Alter der Sterne von rund einer Million Jahren hätten die Scheiben ursprünglich fast so schwer sein müssen wie ihre Sterne selbst. Das widerspricht allem, was über junge Planetenscheiben bekannt ist. Eigentlich dürften sie also längst verschwunden sein.
Das zweite Rätsel betrifft die große Gashülle um den Stern. Die Sternwinde von Theta-1 Orionis C1 haben eine Blase in die umgebende Wolke geblasen, deren Wand sich mit rund 13 Kilometern pro Sekunde ausdehnt. Bei einem Radius von etwa 2,5 Parsec, also rund acht Lichtjahren, ergibt sich daraus rückwärts gerechnet ein Alter von nur rund 300.000 Jahren. Sowohl die Planetenscheiben als auch die Gasblase erscheinen damit deutlich jünger als die Sterne, die sie antreiben. Beides wird in der Fachwelt als Altersparadox des Orionnebels bezeichnet.
Die Leidener Astronomen schlagen eine gemeinsame Erklärung vor. Theta-1 Orionis C1 könnte einst ein enger Doppelstern gewesen sein, der zusammen mit dem heutigen Begleiter ein Dreifachsystem bildete. In solchen Systemen kann der äußere Stern die Bahn des inneren Paares über lange Zeit schrittweise verformen. Fachleute sprechen nach den Entdeckern vom von-Zeipel-Lidov-Kozai-Effekt. Die Bahn des inneren Paares wird dabei immer länglicher, bis sich die beiden Sterne so nahe kommen, dass sie zusammenstoßen und verschmelzen. Aus zwei Sternen wird ein einziger.
Für die Umgebung hat das drastische Folgen. Die Leuchtkraft eines Sterns wächst stärker als seine Masse, deshalb strahlt ein einzelner Stern deutlich heller als zwei kleinere Sterne mit derselben Gesamtmasse. Vor der Verschmelzung hätten die beiden Sterne also viel weniger Strahlung abgegeben, und die Planetenscheiben ringsum hätten den größten Teil ihres Lebens gut überstanden. Erst nach dem Zusammenstoß hätte die Strahlung sprunghaft zugenommen. Laut den Berechnungen im Fachartikel stieg die ionisierende Strahlung dabei etwa auf das Zehnfache, wodurch sich die Scheiben ungefähr dreimal schneller auflösen. Wer heute die aktuelle Abdampfrate und Ausdehnung zurückrechnet, unterschätzt deshalb das wahre Alter.
Um das zu prüfen, verglichen die Forscher mit statistischen Simulationen drei Modelle für die Ausdehnung der Gasblase. Ein Modell ohne Helligkeitssprung passte nur zu den Messungen, wenn das System lediglich rund 450.000 Jahre alt wäre, was den Sternaltern widerspricht. Ein Modell, in dem die Blase erst spät aus einem dichten Kern ausbricht, schnitt ebenfalls schlecht ab. Das Modell mit plötzlicher Aufhellung vor einigen hunderttausend Jahren passte dagegen am besten und erlaubt zugleich ein Systemalter von rund einer Million Jahren.
Im zweiten Teil der Studie simulierte das Team mit einem speziellen Rechenprogramm für wenige, sich gegenseitig anziehende Körper 1.992 mögliche Vorläufer-Dreifachsysteme. Berücksichtigt wurden dabei auch Gezeitenkräfte, die Drehung der Sterne und Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie. Außerhalb eines Abstands von etwa einer halben Astronomischen Einheit zwischen den inneren Sternen verschmolz rund die Hälfte der Systeme innerhalb von einer Million Jahren. Ein Zusammenstoß wie der vorgeschlagene ist demnach kein exotischer Zufall. Zudem leben massereiche Sterne der Spektralklasse O laut Fachliteratur zu etwa 70 Prozent in Dreifach- oder Mehrfachsystemen.
Ganz ohne offene Fragen kommt das Szenario jedoch nicht aus. Die Ausdehnung der Gasblase verlangt eine rund hundertfach höhere Leistung der Sternwinde, eine Verschmelzung liefert nach den Berechnungen aber höchstens etwa das Dreißigfache. Die Forscher vermuten, dass kühles Gas aus den verdampfenden Planetenscheiben den Rest beisteuert, indem es sich mit dem heißen Gas in der Blase vermischt. Außerdem verschmolzen viele simulierte Paare zu früh, oft schon wenige hundert bis tausend Jahre nach ihrer Entstehung. Damit der Zusammenstoß erst Hunderttausende Jahre später geschieht, müssen weitere Effekte die Verschmelzung verzögern, etwa stärkere Gezeiten in der Jugend der Sterne oder die Störung durch einen vorbeiziehenden Nachbarstern. Die Wahrscheinlichkeit einer solchen Störung beziffern die Autoren auf rund zehn Prozent. Am besten passt ein inneres Paar aus zwei nahezu gleich schweren Sternen, solche Zwillinge kommen in dieser Konstellation aber nur mit etwa zwei bis drei Prozent Wahrscheinlichkeit vor.
Für die Verschmelzung sprechen zwei Eigenschaften von Theta-1 Orionis C1, die bisher schwer zu deuten waren. Der Stern besitzt ein Magnetfeld, das schräg zu seiner Drehachse steht. Solche Felder können entstehen, wenn zwei Sterne mit unterschiedlich ausgerichteten Achsen verschmelzen und ihr Inneres dabei durcheinandergewirbelt wird. In den Simulationen lag der Winkel zwischen Bahn und Drehachse beim Zusammenstoß im Mittel bei 60 Grad. Hinzu kommt ein leichter Überschuss an Stickstoff, der aus dem tiefen Inneren eines Sterns stammen kann und bei einer Verschmelzung an die Oberfläche gelangt. Dieser Befund beruht allerdings auf dem gemeinsamen Licht beider Sterne des Paares und ist noch nicht bestätigt.
Bemerkenswert ist, dass sich das Modell überprüfen lässt. Frühere Messungen deuteten auf einen weiteren, etwa sonnenschweren Begleiter hin, der Theta-1 Orionis C1 alle 61,49 Tage umkreisen soll. In 1.995 von 2.000 Simulationen mit dieser Konstellation verschmolz der kleine Begleiter jedoch nach im Mittel nur 135 Jahren mit dem großen Stern. Die Autoren halten seine Existenz deshalb für unwahrscheinlich. Ließe er sich doch nachweisen, wäre ihr Szenario widerlegt. Wie häufig Doppelsterne in unserer kosmischen Nachbarschaft sind, zeigt ein Katalog mit Millionen von Doppelsternen in der Nähe der Erde.
Für die Forscher reicht die Bedeutung über den Orionnebel hinaus. „Zum ersten Mal sehen wir die Folgen eines großen Sternzusammenstoßes in unserer eigenen kosmischen Nachbarschaft“, sagt Simon Portegies Zwart laut einer Pressemitteilung der Universität Leiden. „Es zeigt auch, dass Sternkollisionen viel häufiger sein könnten als bisher gedacht und dass sie weitreichende Folgen haben können.“ Maite Wilhelm ergänzt: „Unsere Idee zeigt, dass subtile Effekte in Dreifachsternsystemen einen großen Einfluss auf die Umgebung haben können, in der Sterne entstehen, und möglicherweise sogar auf Planeten, die sich noch bilden.“
Ähnliche Verschmelzungen in Mehrfachsystemen werden auch für andere Sterne diskutiert, etwa für Eta Carinae, dessen gewaltiger Ausbruch im Jahr 1843 Astronomen bis heute beschäftigt. Dass enge Doppelsterne spektakulär enden können, zeigt auch ein extrem seltenes Doppelsternsystem, das in einer Kilonova enden dürfte. Die Leidener Erklärung konkurriert zudem mit anderen Ansätzen. Eine Studie aus dem Jahr 2019 erklärte die langlebigen Scheiben mit mehreren Sterngenerationen, deren junge Scheiben erst nach und nach in die Nähe der hellen Zentralsterne gelangen. Dieses Modell ist mit dem neuen Szenario vereinbar. Eine andere Arbeit vermutete, dass im Orionnebel noch bis vor 300.000 Jahren Sterne entstanden sind.
Ob Theta-1 Orionis C1 tatsächlich aus zwei Sternen hervorgegangen ist, müssen nun Beobachtungen zeigen, etwa genauere Spektren des Sterns oder hochauflösende Aufnahmen seiner unmittelbaren Umgebung. Für die Planetenentstehung wäre die Antwort wichtig: Wenn ein einzelner Zusammenstoß die Strahlung in einem ganzen Sternentstehungsgebiet schlagartig verstärken kann, hängt das Schicksal junger Planetensysteme auch vom Zufall in der Nachbarschaft ab. Die Idee zu der Studie entstand übrigens nach Angaben der Autoren in einer Kaffeepause.
Astronomy & Astrophysics, A triple-induced merger in θ1 Ori C solves the proplyd lifetime problem and the curiously young shell of M42; doi:10.1051/0004-6361/202662018
Universität Leiden, Leiden astronomers explain the Orion Nebula’s age paradox
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