Das sprichwörtliche Funkeln von Sternen ist mit freiem Auge gut zu erkennen und erlaubt es, sie am Nachthimmel von Planeten zu unterscheiden. Verantwortlich dafür sind Effekte der Erdatmosphäre. Doch auch abseits dieser nur auf der Erde sichtbaren Störungen funkeln Sterne, wenn auch viel schwächer. Eine neue Studie im Fachjournal "Nature Astronomy" zeigt nun, wie sich aus diesen Helligkeitsveränderungen etwas über das Innenleben von Sternen lernen lässt – in der Theorie, denn bisherige Teleskope sind nicht genau genug, um die Signaturen aufzuzeichnen.

Ein Schnitt durch einen Stern macht den Schichtaufbau und heiße Blasen sichtbar, die im Inneren aufsteigen.
Ein Blick ins Innere eines simulierten Sterns.
E.H. Anders et al./Nature Astronomy 2023

Komplexes Innenleben

Sterne sind, im Vergleich zu Planeten wie unserer Erde, vergleichsweise einfache Objekte. Sie bestehen typischerweise fast nur aus Wasserstoff und Helium, wobei durch Kernfusion der Wasserstoffanteil ständig ab- und der Heliumanteil zunimmt. Im Kern sind allerdings auch schwerere Elemente möglich. Der Sauerstoff etwa, den wir auf der Erde atmen, stammt aus dem Inneren von Sternen.

Doch dieser Bereich ist unzugänglich und lässt sich nur indirekt erforschen. Hier kommt das erwähnte Funkeln ins Spiel: Bereits früher waren Helligkeitsschwankungen beobachtet worden, "rotes Rauschen" genannt. Es handelte sich um ein Pulsieren, das vor allem große, heiße Sterne betraf. Man vermutete, diese Helligkeitsveränderungen könnten auf Strömungen im Inneren der Sterne zurückzuführen sein.

Dieses beruhigende Video der US-Weltraumagentur Nasa zeigt die reiche Oberflächendynamik unserer Sonne zwischen August und Dezember 2022.
NASA Goddard

Um mehr darüber herauszufinden, simulierten nun Forschende des Flatiron Institute und der Northwestern University aus den USA die Konvektionsströmungen in Sternen und ihre Auswirkungen auf ihre Helligkeit. "Bewegungen im Kern eines Sterns lösen Wellen aus, wie die des Ozeans", sagt Evan Anders von der Northwestern University. "Wenn die Wellen die Oberfläche des Sterns erreichen, bringen sie ihn auf eine Weise zum Funkeln, die Astronomen vielleicht beobachten können." Durch die Hitze im Inneren steigen also Blasen aus heißem Material auf – wie in einer Lavalampe, nur deutlich turbulenter.

Die Simulation dieser Blasen erwies sich allerdings als sehr schwierig, berichtet das Team. Die Mechanismen, die sie auslösen, dauern nur einige Wochen an, doch ihr Aufsteigen kann sich über Jahrhunderte oder Jahrtausende hinziehen. Diese völlig verschiedenen Zeitskalen habe man in einer Simulation vereinen müssen. Getestet haben die Forschenden die Modelle mit klassischer Musik. Hier kamen stilgerecht Gustav Holsts "Planeten" zum Einsatz. Hörproben dieser Versuche stellte man zur Verfügung.

Holsts Stück "Jupiter", wie es laut dem Forschungsteam in einem kleineren Stern mit drei Sonnenmassen klingen würde.
So würde "Jupiter" in einem großen Stern mit 40 Sonnenmassen klingen.

Unerwartetes Ergebnis

Die Forschenden simulierten daraufhin die Dynamik von Sternen mit der dreifachen, fünfzehnfachen und vierzigfachen Masse der Sonne. Dabei zeigte sich, dass die Konvektionsströmungen tatsächlich ein Flackern der Sterne auslösen, jedoch nicht das rote Rauschen, das man eigentlich erklären wollte. Es dürfte doch nicht aus dem Kern der Sterne stammen, sondern in höhergelegenen Schichten entstehen.

Das Rätsel um das rote Rauschen bleibt also bestehen, doch das Team ist trotzdem zufrieden. Studienautor Matteo Cantiello vom Flatiron Institute sieht völlig neue Möglichkeiten für die Forschung: "Wir werden in der Lage sein, die Signatur des Kerns zu sehen", sagt Cantiello. Das werde künftig die Möglichkeit eröffnen, ins Innere von Sternen zu sehen.

Die Teleskope dafür müssten aber erst entwickelt werden. Das Team will das Modell nun verfeinern und weitere Effekte berücksichtigen. Vielleicht, so die Hoffnung, taucht dabei ja doch ein Effekt auf, der auch für aktuelle astronomische Instrumente sichtbar ist. (Reinhard Kleindl, 31.7.2023)