Ein Instrument, das eigentlich die Ausdehnung des Universums und die Dunkle Energie erforschen soll, liefert unerwartete Einblicke in untergegangene Planetensysteme: In den Spektren von zwölf Weißen Zwergen hat ein internationales Forschungsteam die chemischen Fingerabdrücke zerstörter Himmelskörper analysiert. Die Daten zeigen Trümmer, die ursprünglichen Meteoriten ähneln, Fragmente differenzierter planetarer Körper – und in zwei Fällen Hinweise auf möglicherweise wasserreiches Material.
Das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) kartiert das Licht von Millionen Galaxien und Quasaren. Bei dieser gigantischen Durchmusterung geraten dem Instrument jedoch auch Objekte aus der Milchstraße ins Blickfeld. Darunter befinden sich Weiße Zwerge, die Material von zerstörten Asteroiden, Planetesimalen oder größeren planetaren Körpern aufgenommen haben.
Ein Team um Paula Izquierdo von der University of Warwick hat zwölf dieser extrem metallreichen Weißen Zwerge unter die Lupe genommen. In ihren Spektren identifizierten die Forschenden jeweils drei bis zehn Elemente – darunter Sauerstoff, Magnesium, Silizium, Calcium und Eisen. Die Ergebnisse erschienen in den „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“. Zum Autorenteam gehört auch der Kieler Astrophysiker Detlev Koester.
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Wie Weiße Zwerge die Chemie untergegangener Welten bewahren
Weiße Zwerge sind extrem dichte, erdgroße Überreste ausgebrannter Sterne, die typischerweise mehr als die Hälfte der Sonnenmasse aufweisen. Durch ihre enorme Oberflächenbeschleunigung sinken schwere Elemente innerhalb astronomisch kurzer Zeiträume unter die sichtbare Fotosphäre ab.
Die Atmosphären Weißer Zwerge sollten daher fast ausschließlich aus Wasserstoff oder Helium bestehen. Werden im Spektrum dennoch Metalle wie Eisen, Magnesium oder Calcium sichtbar – in der Astronomie gelten alle Elemente schwerer als Helium als Metalle –, deutet das bei diesen Sternen stark auf eine Aufnahme von Material von außen hin.
Geraten planetare Überreste auf instabile Bahnen und überschreiten die Roche-Grenze des Weißen Zwergs, werden sie durch Gezeitenkräfte zerrissen. Aus den Bruchstücken kann sich eine Trümmerscheibe bilden, deren Material nach und nach auf den Stern stürzt. Etwa 20 bis 50 % aller Weißen Zwerge zeigen solche Metallverunreinigungen.
DESI misst bis zu 5000 Objekte gleichzeitig
Installiert ist DESI am 4-Meter-Mayall-Teleskop auf dem Kitt Peak in Arizona. Die technische Besonderheit liegt auf der Fokalebene: 5000 robotisch gesteuerte Positionierer richten jeweils eine Glasfaser exakt auf ein Himmelsobjekt aus. Die Fasern leiten das Licht an zehn Spektrografen weiter, die das Spektrum im Wellenlängenbereich von 360 bis 980 nm zerlegen.
Im ersten großen DESI-Datensatz spürten die Algorithmen unter rund 64.000 Kandidaten für Weiße Zwerge etwa 1700 Objekte mit klaren Metalllinien auf. Rund 81 % dieser Systeme waren zuvor nicht als metallangereicherte Weiße Zwerge bekannt. Für die aktuelle Pilotstudie wählte das Team zwölf Sterne aus, deren Spektren besonders viele deutlich erkennbare Metalllinien aufwiesen. Neun davon wurden erstmals als metallangereicherte Weiße Zwerge identifiziert.
Bis zu zehn Elemente in einem einzigen Sternspektrum
Bei acht der zwölf Systeme konnten die Forschenden mindestens sechs Metalle nachweisen. Bei sieben Sternen bestätigten und ergänzten Messungen mit dem X-shooter-Spektrografen am Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile die DESI-Daten. Seine höhere spektrale Auflösung machte weitere Spurenelemente wie Titan, Chrom, Mangan und Nickel sichtbar.
Die Auswertung ist allerdings komplex: Da unterschiedliche Elemente unterschiedlich schnell durch die Sternatmosphäre diffundieren, spiegeln die gemessenen Häufigkeiten nicht direkt die ursprüngliche Zusammensetzung des Verursachers wider. Über astrophysikalische Diffusionsmodelle muss rekonstruiert werden, ob der Akkretionsprozess noch andauert oder bereits abgeschlossen ist. Die Rechnungen sprechen bei den meisten der untersuchten Sterne wahrscheinlich für eine aktive Materialaufnahme – obwohl direkte Infrarot-Nachweise einer warmen Staubscheibe in den vorliegenden Daten fehlen.
| Nachgewiesenes Elementmuster | Mögliche Herkunft des zerstörten Himmelskörpers |
| Ausgewogenes Verhältnis von Silikaten und Eisen | Chondritenähnliches, ursprüngliches Gesteinsmaterial |
| Hoher Eisenüberschuss, etwa bei WD 0850+3208 | Kernreiches Material eines differenzierten planetaren Körpers |
| Eisenarm und silikatreich | Mögliches Mantelmaterial eines differenzierten Körpers |
| Sauerstoffüberschuss | Möglicher Hinweis auf wasserreiches Ausgangsmaterial |
Mindestmassen von Janus bis Charon
Über die Integration der Elementhäufigkeiten in der Konvektionszone berechnete das Team auch die Mindestmasse der aufgenommenen schweren Elemente. Die Spanne reicht von der Masse des Saturnmonds Janus bis hin zur Masse des Plutomonds Charon.
Wichtig für die Interpretation: Hierbei handelt es sich um strikte Untergrenzen. Bereits tief abgesunkene Elemente oder nicht erfasste Stoffe sind nicht eingerechnet. Die ursprünglichen planetaren Körper können also erheblich massereicher gewesen sein.
Wasserreicher Exoplaneten-Müll?
Besonders interessant ist die Auswertung des Sauerstoffgehalts, die bei sechs Systemen gelang. Zieht man die Menge an Sauerstoff ab, die in typischen Gesteinsverbindungen gebunden sein dürfte, verbleibt bei zwei Weißen Zwergen ein möglicher Sauerstoffüberschuss.
Dieser Überschuss lässt sich unter anderem durch Wasser im ursprünglichen Himmelskörper erklären. Beim System WD 0452−0214 sind die entsprechenden Sauerstofflinien so ausgeprägt, dass das Modell vergleichsweise stark für einen wasserreichen Körper spricht. Beim zweiten Kandidaten, WD 1352+0323, sind die Signale schwächer; hier sind empfindlichere Nachfolgebeobachtungen nötig. Wasser oder organische Verbindungen wurden nicht direkt gemessen – die Rückschlüsse basieren auf stöchiometrischen sowie astrophysikalischen Modellen der Atmosphärenzusammensetzung.
Die Suchmaschine für die Exogeologie der Zukunft
Von den mehr als 1700 bekannten metallreichen Weißen Zwergen zeigten bisher nur etwa 86 Sterne mehr als fünf verschiedene Metalle – eine wichtige Voraussetzung für eine detailliertere geochemische Rekonstruktion. Die kleine Pilotstudie lieferte auf Anhieb acht Systeme dieser seltenen Gruppe.
Damit zeigt sich der Mehrwert der kosmologischen Durchmusterung für die Stellarastronomie: DESI arbeitet als effizienter Vorfilter. Das Instrument identifiziert unter Zehntausenden Kandidaten jene Systeme, die sich für detaillierte spektroskopische Analysen mit höher auflösenden Großteleskopen eignen. Ein Werkzeug zur Erforschung der Kosmologie wird so auch zu einem Instrument für die Exogeologie zerstörter Welten.
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