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Die meisten Sterne im All sind keine Einzelgänger, sondern entstehen als Teil eines Mehrfachsystems. Astronomen haben jetzt eine besonders seltene Variante eines solchen Systems entdeckt. Es handelt sich um ein hierarchisches Vierfach-Sternsystem, bei dem ein enges Sternentrio von einem vierten Stern umkreist wird. Bisher wurden erst sehr wenige solcher 3+1-Systeme beobachtet. TIC 120362137 sticht heraus, weil es besonders kompakt ist: Die drei inneren Sterne sind massereicher und größer als unsere Sonne, bewegen sich aber in einer Fläche, die in die Bahn des Merkur in unserem Sonnensystem passen würde. Der vierte, äußere Stern kreist in einem Abstand, der etwa dem des Jupiter zur Sonne entspricht. Das macht dieses Quartett zum engsten bisher bekannten Vierfach-Sternsystem dieser Art.
Im Kosmos kommen Mehrfach-Sternsysteme häufig vor: Astronomen schätzen, dass rund ein Drittel aller Sterne Doppel- oder Dreifachsterne sind. Auch unsere Sonne hatte vermutlich einst eine stellare „Schwester“, die gemeinsam mit ihr in einer kollabierenden Gaswolke gebildet wurde. In solchen Sternenwiegen können jedoch auch größere Mehrfachsysteme mit vier, fünf oder sogar sechs Sternen entstehen. Diese Systeme sind jedoch meist nur dann stabil, wenn sie hierarchisch organisiert sind. Sie bestehen dann aus mehreren Paaren, die sich gegenseitig umkreisen. 2021 haben Astronomen beispielsweise ein Sechsfach-Sternsystem aus drei Paaren entdeckt. Zwei Paare umkreisen sich gegenseitig, das dritte Paar umkreist dieses innere Quartett. In Dreifach-Sternsystemen gibt es meist ein inneres Paar, das von einem Einzelstern umkreist wird. Vierersysteme bestehen meist aus zwei Paaren.
Ein inneres Trio mit äußerem Begleiter
Jetzt haben Astronomen ein Vierfach-Sternsystem entdeckt, das zu einem anderen, selteneren hierarchischen Typ gehört. „Diese 3+1 oder (2+1) + 1-Systeme bestehen aus einem hierarchischen Dreiersystem, bei dem der vierte Stern in einem deutlich weiteren Orbit um das Massenzentrum des inneren Trios kreist“, schreiben Tamás Borkovits vom Astronomischen Observatorium Baja in Ungarn und seine Kollegen. Diese Form von Vierfach-Systemen wird vermutlich auf andere Weise gebildet als die Quartette aus zwei Paaren und ist daher seltener. Solche Systeme können aber wertvolle Informationen darüber liefern, wie sie entstehen, wie die Astronomen erklären. Mithilfe von Beobachtungen mit dem NASA-Weltraumteleskop TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) haben sie nun ein solches 3+1-System aufgespürt. In den Lichtkurven des Teleskops zeigte sich zunächst das deutliche Signal einer gegenseitigen Sternbedeckung durch ein inneres Sternenpaar, das sich mit einer Periode von 3,28 Tagen eng umkreist. „Zusätzlich wurden weitere Verschattungen detektiert, die einen dritten, in 51,3 Tagen um das Massenzentrum dieses Paares kreisenden Stern enthüllten“, berichten Borkovits und sein Team. Damit entsprach diese Konfiguration einem klassischen hierarchischen Dreifachsystem.
Beobachtungen mit weiteren, erdbasierten Teleskopen enthüllten eine weitere Komponente dieses TIC 120362137 getauften Systems: einen vierten Stern, der das Trio weiter außen mit einer Umlaufzeit von 1045 Tagen umkreist. Damit handelt es sich um ein 3+1-Sternsystem. Wie nähere Analysen ergaben, sind die drei inneren Sterne dieses Quartetts massereicher und größer als die Sonne: Sie sind zwischen 1,3 und 1,75 Sonnenmassen schwer und ihre Radien liegen zwischen dem eineinhalb- und dreifachen Sonnenradius. Alle drei sind zudem heißer als die Sonne und bewegen sich auf einer gemeinsamen, flachen Ebene. „Eine solche Flachheit ist wahrscheinlich ein Relikt des Bildungsprozesses dieses Systems“, schreiben die Astronomen. „Wahrscheinlich wurden alle vier Sterne ursprünglich in derselben flachen Scheibe gebildet.“ Der vierte, sonnenähnliche Stern, bewegt sich nicht mehr genau in dieser Ebene, sein Orbit ist aber vermutlich nicht mehr als zehn Grad geneigt, wie Borkovits und seine Kollegen ermittelten.
Das kompakteste System dieser Art
Trotz ihrer Größe und Masse bilden die vier Sterne von TIC 120362137 aber ein extrem kompaktes Ensemble: „Drei der vier Sterne würden in eine Fläche passen, die mit der Bahn des Merkur um die Sonne vergleichbar ist“, berichten die Astronomen. „Und die vierte, weiter entfernte Komponente ist den drei inneren Sternen näher als der Jupiter unserer Sonne.“ Damit sei dieses Vierfach-Sternsystem das bislang kompakteste dieser 3+1-Konfiguration. Zuvor waren nur zwei 3+1-Systeme bekannt, deren Sterne ebenfalls relativ eng beieinander liegen. „TIC 120362137 ist nicht nur das kompakteste unter ihnen, sondern auch das einzige, bei dem alle vier stellaren Komponenten direkt über spektroskopische Beobachtungen detektiert werden konnten“, betonen Borkovits und sein Team. Sie vermuten aber, dass es im Kosmos noch zahlreiche weitere, ähnlich kompakte Vierfach-Sternsysteme dieser Art geben muss. „Ihre Entdeckung dürfte aber schwierig sein und könnte von zufälligen, günstigen Merkmalen dieser Systeme abhängen“, so die Astronomen.
Zusätzlich haben Borkovits und seine Kollegen untersucht, wie sich das kompakte 3+1-System TIC 120362137 weiterentwickeln könnte. Demnach wird der massereichste Stern des Quartetts, Aa, als erster seinen Lebenszyklus beenden und sich ausdehnen, bis er mit seinem Partnerstern Ab eine gemeinsame Hülle bildet. „Dieses Doppelsystem wird dann zu einem einzigen Stern A‘ von rund 3,1 Sonnenmassen verschmelzen“, berichten die Astronomen. Dieser entwickelt sich dann normal weiter, bis auch er in rund 275 Millionen Jahren zum Roten Riesen wird und ein Massentransfer zum dritten Stern des ehemaligen zentralen Trios beginnt. Wieder kommt es zu einer Verschmelzung. „Wir gehen davon aus, dass keine dieser beiden Verschmelzungen zu einer Auflösung des Dreifach- und später Doppelsternsystems führen wird“, so das Team. Denn anders als bei einer Supernova verlaufen solche „stillen“ Verschmelzungen meist ruhig und ohne große Explosionen. Von dem ursprünglichen inneren Trio bleibt dadurch nur noch ein massereicher Stern mit 4,59 Sonnenmassen übrig, der mit dem zuvor vierten, äußeren Stern ein Paar bildet.
Diese beiden Sterne könnten nun noch mehrere Milliarden Jahre als Doppelsternsystem überdauern. Der massereiche verschmolzene Stern wird in rund 300 Millionen Jahren zum Weißen Zwerg, der vierte, kleinere dagegen erst in rund neun Milliarden Jahren, wie die Astronomen berichten. Das Endergebnis ist ein Paar sich umkreisender Weißer Zwerge, denen man ihre komplexe Geschichte nicht mehr ansehen wird.
Quelle: Tamás Borkovits (Universität von Szeged, Ungarn) et al., Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-026-69223-4
https://www.nature.com/articles/s41467-026-69223-4
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