Mehr als die Hälfte aller Sterne werden als Mitglieder mehrerer Sternsysteme geboren, der Prozess der Entstehung mehrerer Sterne ist jedoch nicht genau verstanden. Daher ist es sehr wichtig, das Geheimnis des Entstehungsmechanismus mehrerer Sterne zu entschlüsseln, um eine umfassende Sternentstehungstheorie aufzustellen. Bisher wurden mehrere Szenarien für die Entstehung mehrerer Sterne vorgeschlagen, und die Diskussionen über Entstehungsszenarien müssen noch konvergieren.

Künstlerischer Eindruck von drei Protosternen IRAS 04239+2436. Quelle: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Um den Entstehungsprozess mehrerer Sterne zu verstehen, ist es notwendig, hochauflösende und hochempfindliche Instrumente wie ALMA zu verwenden, um den Moment der Geburt mehrerer Protosterne (Sterne im Entstehungsprozess) direkt zu beobachten. Darüber hinaus berichten neuere Beobachtungen von Protosternen häufig über Gasstrukturen, sogenannte „Stromlinien“, bei denen es sich um Gasströme in Richtung des Protosterns handelt.

Die Beobachtung dieser Stromlinien ist wichtig, da sie zeigen, wie der Protostern Gas absorbierte und wuchs. Derzeit ist jedoch unklar, wie diese Stromlinien entstanden sind. Da erwartet wird, dass Gasströme um Protosterne in Mehrsternsystemen komplexe Strukturen aufweisen, sind detaillierte Beobachtungen mit der hohen Auflösung von ALMA ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung der Ursprünge von Gasströmen.

Gasverteilung um den ternären Protostern IRAS04239+2436, (links) SO-Emission beobachtet von ALMA, (rechts) numerische Simulationswiedergabe durch Supercomputer ATERUI. Die links blau dargestellten Protosterne A und B repräsentieren Radiowellen aus dem Staub, der den Protostern umgibt. Es wird angenommen, dass in Protostar A zwei ungelöste Protosterne existieren. Im Bild rechts sind die Positionen der drei Protosterne durch blaue Kreuze gekennzeichnet. Quelle: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J.-E. Leeetal. Leeetal.

Detaillierte Beobachtungen und Entdeckungen

Das Team nutzte ALMA, um Radiowellen zu beobachten, die von Schwefelmonoxid (SO)-Molekülen rund um das junge Mehrsternsystem IRAS04239+2436 emittiert werden. IRAS04239+2436 ist ein „ternäres Protosternsystem“, ein System bestehend aus drei Protosternen, etwa 460 Lichtjahre von uns entfernt. Das Forschungsteam erwartet, SO-Moleküle in der Region zu entdecken, in der die Stoßwelle auftritt, und heftige Gasbewegungen um den Protostern herum zu beobachten. Als Ergebnis der Beobachtung entdeckten sie SO-Moleküle etwa dreimal so groß wie der Protostern und stellten fest, dass die Verteilung der SO-Moleküle einen großen Spiralarm bildete, der sich bis zu 400 astronomische Einheiten erstreckte. Darüber hinaus gelang es ihnen, die Geschwindigkeit von Gas, das SO-Moleküle enthielt, auf der Grundlage der durch den Doppler-Effekt verursachten Frequenzverschiebung von Radiowellen zu ermitteln.

Basierend auf der Analyse der Gasbewegung stellten sie fest, dass die von SO-Molekülen gezeichneten Spiralarme tatsächlich Stromlinien waren, die zum dreifachen Protostern flossen. „Das tiefgreifendste Merkmal unserer ALMA-Bilder ist die Erkennung großer, klar definierter mehrarmiger Strukturen in der SO-Strahlung“, erläuterte Li die Bedeutung der Entdeckung. „Mein erster Eindruck war, dass diese Strukturen zusammentanzten und sich um das zentrale Protosternsystem drehten, aber später entdeckten wir, dass die Spiralarme Materialkanäle sind, die kleine Sterne ernähren.“

Der Supercomputer „ATERUI“ simuliert die Entstehung mehrerer Sterne. Der Film zeigt, dass mehrere Protosterne in filamentösen, turbulenten Gaswolken entstehen, die Spiralarme anregen und bei ihrer Bewegung das umgebende Gas stören. Quelle: Tomaki Matsumoto, Takaaki Takeda, 4D2U-Projekt, Nationales Astronomisches Observatorium Japans

Bedeutung und vergleichende Analyse

Um die Gasbewegung weiter zu untersuchen, verglich das Forscherteam die aus dieser Beobachtung abgeleitete Gasgeschwindigkeit mit der aus numerischen Simulationen abgeleiteten Geschwindigkeit. Diese Simulationen wurden mit den auf Astronomie spezialisierten Supercomputern „ATERUI“ und „ATERUIII“ am Zentrum für Computational Astrophysics des Nationalen Astronomischen Observatoriums Japans durchgeführt. In der Simulation bildeten sich in der Gaswolke drei Protosterne, und das gestörte Gas um die drei Protosterne löste Stoßwellen in Form von Spiralarmen aus.

„Wir haben herausgefunden, dass die Spiralarme Gasströme in Richtung der drei Protosterne aufweisen; sie sind die Stromlinien, die das Gas zu den Protosternen transportieren“, sagte Matsumoto, der die numerischen Simulationen der Studie leitete. „Die simulierten Gasgeschwindigkeiten stimmen gut mit den Beobachtungen überein, was zeigt, dass numerische Simulationen tatsächlich den Ursprung der Stromlinien erklären können.“

Hybridschema zur Bildung mehrerer Sterne

Durch den Vergleich von Beobachtungsdaten und numerischen Simulationsergebnissen untersuchte das Team, wie dieser dreifache Protostern entstand. Bisher gibt es zwei Möglichkeiten für die Entstehung mehrerer Sterne. Das erste ist das „turbulente Fragmentierungsszenario“, bei dem eine turbulente Gaswolke in Gaskondensate fragmentiert und jedes Kondensat sich zu einem Protostern entwickelt. Das zweite ist das „Scheibenfragmentierungsszenario“, bei dem die Gasscheibe um einen Protostern fragmentiert, um einen neuen Protostern zu bilden, wodurch mehrere Sterne entstehen.

Die hier beobachtete Verdreifachung der Protosterne kann durch ein Hybridszenario erklärt werden, bei dem der Sternentstehungsprozess mit einer turbulenten Protogaswolke beginnt, ähnlich dem Szenario der turbulenten Fragmentierung, und dann neue Protosternkeime in der Scheibe erzeugt werden, ähnlich dem Szenario der Scheibenfragmentierung, und die umgebenden Gasturbulenzen dazu führen, dass sich die Spiralarme weit ausdehnen. Die Beobachtungen sind den Simulationen sehr ähnlich, was darauf hindeutet, dass der beobachtete Triplett-Protostern das erste Objekt ist, bei dem bestätigt wurde, dass es durch ein Mischungsschema mehrere Sterne gebildet hat.

„Dies ist das erste Mal, dass die Ursprünge von Protosternen und Meteoren gleichzeitig umfassend aufgeklärt wurden. Die Kombination von ALMA-Beobachtungen und Simulationen ist ein leistungsstarkes Werkzeug, um die Geheimnisse der Sternentstehung aufzudecken“, sagte Matsumoto.

Auswirkungen auf die Planetenentstehung und zukünftige Forschung

Li glaubt, dass die Studie auch Licht auf die Schwierigkeiten der Planetenentstehung in Mehrsternsystemen wirft. Sie sagte: „Planeten werden in der Scheibe aus Gas und Staub geboren, die sich um den Protostern gebildet hat. In diesem System mit drei Protosternen befindet sich der Protostern in einer kleinen Region, die Scheibe um den Protostern ist klein und der Protostern, der den Protostern umkreist, löst die Scheibe von anderen Protosternen ab. Planeten entstehen in einer langfristig ruhigen Umgebung. Daher ist IRAS04239+2436 wahrscheinlich keine Umgebung, die der Planetenbildung förderlich ist.“

Matsumoto diskutiert die Auswirkungen dieser Forschung auf unser Verständnis der Entstehung mehrerer Sterne. „Die tatsächliche Beobachtung eines sich bildenden Mehrsternsystems durch ein Hybridschema wird einen großen Beitrag zur Lösung der Debatte über Mehrsternentstehungspläne leisten. Darüber hinaus bestätigt diese Studie nicht nur die Existenz kürzlich festgestellter Stromlinien, sondern erklärt auch, wie sie entstehen, was einen großen Fortschritt darstellt.“

Jeong-EunLee und andere stellten diese Forschung in der im Astrophysical Journal veröffentlichten Arbeit „Triple Spiral Arms of Triple Spiral Arms of Triple Protostar System Imaged by Molecular Lines“ vor.