MPA-STARTSEITE 
Zurueck zur Startseite
 

  Aktuelle Forschung :: September 2010 Zur Übersicht

Das Geheimnis der geringen solaren Lithiumhäufigkeit und ihre Beziehung zu Exoplaneten

Seit über einem halben Jahrhundert stellen sich Forscher die Frage, warum die Lithiumhäufigkeit unserer Sonne so viel geringer ist als die von Meteoriten. Deren chemische Zusammensetzung ist seit der Geburt unseres Sonnensystems vor viereinhalb Milliarden Jahren im Wesentlich unverändert geblieben. Eine oft genannte, mögliche Ursache für die geringen Lithiumhäufigkeiten in der Sonne und anderen Sternen, um die Planeten gefunden wurden, ist eben die Anwesenheit der Planeten. Eine Gruppe unter der Führung von Forschern des Max-Planck-Instituts für Astrophysik veröffentlichte vor kurzem eine umfassende Studie von Lithiumhäufigkeiten in Sternen, die unserer Sonne sehr ähnlich sind. Diese Studie belegt, dass die Lithiumhäufigkeit mit dem Alter der Sterne zusammenhängt und nicht, wie kürzlich von einer konkurrierenden Gruppe behauptet, mit der Anwesenheit von Planeten.

Abb. 1: Entwicklung der Lithiumhäufigkeit mit dem Alter in Sonnenzwillingen. Die Sonnenzwillinge sind durch offene Quadrate dargestellt, Sonnenzwillinge in offenen Sternhaufen durch gefüllte Dreiecke. Die Sonne ist hier als roter Kreis eingezeichnet. Erweiterte Sternmodelle, die Rotation und interne Gravitationswellen enthalten (durchgezogene Linien), können sowohl die Abnahme der Lithiumhäufigkeit mit steigendem Alter als auch die hier sichtbare Verbreiterung erklären; die drei Kurven stellen Rechnungen für unterschiedliche (angenommene) ursprüngliche Rotationsgeschwindigkeiten der Sterne dar (Zahlen neben den Kurven).

Abb. 2: Entwicklung der Lithiumhäufigkeit mit dem Alter für Sonnenzwillinge und metallreiche sonnenähnliche Sterne. Die Zwillinge sind durch offene Quadrate gekennzeichnet, diejenigen mit Planeten durch gefüllte Quadrate. Metallreiche sonnenähnliche Sterne mit (ohne) bekannte Riesenplaneten sind hier durch gefüllte (offene) Dreiecke dargestellt. Die metallreichen Sonnenähnlichen scheinen ebenso einem Lithum-Alter-Trend zu folgen, ganz ähnlich wie die Sonnenzwillinge, unabhängig davon ob sie Planeten besitzen oder nicht; ihr Lithiuminhalt ist allerdings etwas kleiner als in Sonnenzwillingen gleichen Alters, zumindest im Bereich von 3 bis 6 Milliarden Jahren. Dieser Unterschied wird aufgrund der höheren Metallizität von Sternmodellen vorhergesagt.

Die Sonne hat an ihrer Oberfläche einen sehr geringen Lithiumgehalt im Vergleich zum ursprünglichen Wert, den man aus Messungen in Meteoriten ermitteln kann, die wie unsere Sonne vor etwa 4,5 Milliarden Jahren entstanden. Lithium ist kein sehr robustes Element; im Sterninneren wird es bei den dort herrschenden extrem hohen Temperaturen schnell vernichtet. Bei Sternen wie der Sonne sind die äußeren Schichten konvektiv, und so kann Material von der Oberfläche zu Regionen im Sterninneren transportiert werden, die heiß genug sind um Lithium zu verbrennen. Zurück an der Oberfläche ist dieses Material später lithiumarm. Dieser Vorgang könnte also die geringe solare Häufigkeit erklären. Allerdings sind theoretische Berechnungen auf der Grundlage der Standard-Sternmodelle nicht in der Lage, das Ausmaß der Lithiumvernichtung in der Sonne zu erklären.

Falls unser Zentralgestirn durch die beobachtete geringe Lithiumhäufigkeit eine Sonderstellung einnimmt, so wäre die Sonne als Testmodell für Sternenmodelle ungeeignet. Um dieser Frage nachzugehen, führten Astronomen des MPA (Patrick Baumann, Ivan Ramirez und Martin Asplund) kürzlich in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Porto (Jorge Melendez, mittlerweile an der Universität Sao Paolo) und der Europäischen Südsternwarte (Karin Lind) eine Untersuchung von "Sonnenzwillingen" durch. Diese Sterne sind bezüglich Temperatur, Radius und Masse der Sonne sehr ähnlich.

Anhand ihrer Farbe, Helligkeit und Entfernung wurden Kandidaten sorgfältig aus etwa 100.000 Sternen ausgewählt. Ungefähr 100 dieser Objekte wurden dann mit dem 6,5m-Teleskop des Las-Campanas-Observatoriums in Chile und mit dem 2,7m-Teleskop des McDonald-Observatoriums in den USA beobachtet. Zusätzlich wurden Daten der öffentlich zugänglichen Archive der ESO- und Keck-Observatorien verwendet. Die beispiellose Qualität der Daten zu diesen Objekten erlaubte es den Forschern, die Lithiumhäufigkeiten sowie grundlegende Eigenschaften wie Masse, Alter und Gesamtmetallizität mit sehr hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Eine der wichtigsten Erkenntnisse dieser Untersuchung ist, dass das Lithiumvorkommen in Sonnenzwillingen, Sternen mit ähnlicher Masse und Metallizität wie unsere Sonne, monoton mit dem Alter des Sterns abnimmt. Messdaten von Sonnenzwillingen in offenen Sternhaufen, deren Alter genau bekannt sind, folgen diesem Trend exakt. Ein wesentlicher Punkt ist auch, dass die Sonne keine besonders niedrige Lithiumhäufigkeit aufweist (siehe Abb. 1).

In gängigen Sonnenmodellen rotiert die Sonne nicht; viele andere wichtige Effekte, die mit verschiedenartigen Transportmechanismen im Sonneninneren zu tun haben, werden ebenfalls ignoriert. Daher überrascht es nicht, dass diese Modelle nur eine geringe Lithiumvernichtung vorhersagen. In realistischeren Sternmodellen wird Lithium allerdings im Laufe der Zeit vernichtet. Somit kann die beobachtete Abnahme der Lithiumhäufigkeit mit dem Alter eines Sterns durch exaktere Darstellungen der Abläufe im Sterninneren erklärt werden. Insbesondere können Modelle, die Rotation und interne Gravitationswellen beinhalten, sowohl den beobachteten Lithiumverlust als auch dessen Streuung erklären (durchgezogene Linien in Abb. 1).

Vor kurzem stellte eine konkurrierende Gruppe von Wissenschaftlern die Behauptung auf, dass Sterne mit Planeten im Allgemeinen weniger Lithium beinhalten als solche ohne Planeten. Dabei schenkten sie dem oben beschriebenen Alterseffekt allerdings nicht genug Beachtung.

Die MPA-Gruppe analysierte außerdem eine Reihe metallreicher, sonnenähnlicher Sterne, die der Sonne sehr ähnlich sind aber eine Metallizität aufweisen, die etwa 80% höher ist. Diese Sterne wurden gewählt, weil Sterne mit bekannten Planeten im Allgemeinen metallreicher sind als solche, um die bisher keine Planeten gefunden wurden. Die Altersabhängigkeit des Lithiums zeigt keinerlei Unterschiede zwischen metallreichen, sonnenähnlichen Einzelsternen und solchen mit Planeten (siehe Abb. 2).

Die metallreichen Sterne scheinen eine geringere Lithiumhäufigkeit zu haben als der durchschnittliche sonnenähnliche Stern. Das hängt allerdings mit der Metallizität zusammen, da metallreiche Sonnenähnliche im Schnitt weniger Lithium aufweisen als Sonnenzwillinge, egal ob der Stern nun einen Planeten besitzt oder nicht. Dieser Metallizitätseffekt wird aufgrund der größeren Konvektionszone in metallreichen Sternen auch von Sternmodellen vorhergesagt. Aufgrund dieses Effekts und der Tatsache, dass Sterne mit Planeten im Schnitt metallreicher sind als solche ohne Planeten, kamen frühere Studien zu dem Ergebnis, dass in Sternen mit Planeten das Lithium schneller vernichtet wird.

Die geringe Lithiumhäufigkeit eines Sterns kann also einfach als metallizitätsabhängiger Alterungseffekt erklärt werden und hat nichts mit den Vorhandensein eines Planeten zu tun. Das Lithium in sonnenähnlichen Sternen und Sonnenzwillingen ist stark altersabhängig, was auf einen weiteren Mischungsprozess hinweist; das wird von einigen erweiterten Sternmodellen sehr gut reproduziert. Die metallreicheren Sterne (mit und ohne Planeten) enthalten etwas weniger Lithium. Dies zeigt, dass es keine Verbindung gibt zwischen einer geringen Lithiumhäufigkeit in sonnenähnlichen Sternen (und unserer Sonne selbst) und der Anwesenheit von Planeten.


Patrick Baumann, Ivan Ramirez und Martin Asplund


Veröffentlichung:

Baumann, P., Ramirez, I., Melendez, J., Asplund, M., Lind, K. "Lithium depletion in solar-like stars: no planet connection", 2010, Astronomy and Astrophysics, in press, linkPfeilExtern.gifarXiv:1008.0575


drucken.gif Druckversion topPfeil.gif Top
© 2003—2020, Max-Planck-Gesellschaft, München
Letzte Änderung: 26.8.2010