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Erklärt: Wie Sterne den Kohlenstoff lieferten, der das Leben ermöglicht

Wenn ein Stern stirbt, gibt er verschiedene Elemente einschließlich Kohlenstoff an die Umgebung ab. Neue Studie zu Weißen Zwergen legt Größengrenzen für Sterne fest, die die Milchstraße mit Kohlenstoff angereichert haben

Die neue Forschung analysierte Weiße Zwerge in diesem Sternhaufen. Es heißt NGC 7789 und ist etwa 8.000 Lichtjahre entfernt. Sie wird auch Carolines Rose genannt, nach der Astronomin Caroline Lucretia Herschel, die sie Ende des 18. Jahrhunderts entdeckte. (Bildnachweis: Guillaume Seigneuret über die NASA)

Kohlenstoff ist lebensnotwendig: Er ist der einfache Baustein all der komplexen organischen Moleküle, die Organismen brauchen. Es ist bekannt, dass der gesamte Kohlenstoff in der Milchstraße von sterbenden Sternen stammt, die das Element in ihre Umgebung ausgestoßen haben. Umstritten ist jedoch, welche Art von Stars den Hauptbeitrag geleistet hat.





Nun hat eine Studie neue Erkenntnisse über die Entstehung des Kohlenstoffs in unserer Galaxie geliefert. Veröffentlicht in „Nature Astronomy“ von einem internationalen Forscherteam, Die Studie ist eine Analyse von Weißen Zwergen — die dichten Überreste eines Sterns nach seinem Tod.

Wie kommt Kohlenstoff aus Sternen?




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Die meisten Sterne – mit Ausnahme der massereichsten – sind dazu verdammt, sich in Weiße Zwerge zu verwandeln. Wenn die Massiven sterben, platzen sie mit einem spektakulären Knall, der als Supernova bekannt ist. Sowohl massearme als auch massereiche Sterne werfen ihre Asche in die Umgebung aus, bevor sie ihr Leben beenden. Und diese Asche enthält viele verschiedene chemische Elemente, einschließlich Kohlenstoff.

Sowohl in massearmen Sternen als auch in massereichen Sternen wird Kohlenstoff in ihrem tiefen und heißen Inneren durch die Triple-Alpha-Reaktion, also die Verschmelzung von drei Heliumkernen, synthetisiert, so die Hauptautorin der Studie, Paola Marigo von der Universität Padua in Italien, erzählte Diese Internetseite , per Email.



In massearmen Sternen wird der neu synthetisierte Kohlenstoff über riesige Gasblasen an die Oberfläche [aus dem Inneren] transportiert und von dort durch Sternwinde in den Kosmos injiziert. Massive Sterne reichern das interstellare Medium hauptsächlich vor der Supernova-Explosion mit Kohlenstoff an, wenn sie auch starke Sternwinde erleben, sagte sie.

Was Astrophysiker diskutieren, ist, ob der Kohlenstoff in der Milchstraße aus massearmen Sternen stammt, bevor sie zu Weißen Zwergen wurden, oder aus den Winden massereicher Sterne, bevor sie als Supernovae explodierten. Die neue Forschung legt nahe, dass Weiße Zwerge möglicherweise mehr Licht auf die Herkunft des Kohlenstoffs in der Milchstraße werfen.



Was hat die Studie nun herausgefunden?

Zwischen August und September 2018 analysierten die Forscher am Keck-Observatorium auf Hawaii einige Weiße Zwerge, die zu offenen Sternhaufen der Milchstraße gehören. Sie maßen die Massen der Weißen Zwerge, leiteten ihre Massen bei der Geburt ab und berechneten daraus die anfängliche-endgültige Massenbeziehung – ein wichtiges astrophysikalisches Maß, das Informationen über den gesamten Lebenszyklus von Sternen integriert.




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Sie fanden heraus, dass die Beziehung einem Trend widersprach – je massereicher der Stern bei der Geburt, desto massereicher der Weiße Zwerg nach seinem Tod. … Uns überraschte ein unerwartetes und in gewisser Weise skurriles Ergebnis: Die Massen dieser Weißen Zwerge waren deutlich größer, als die Astrophysiker bisher glaubten. Noch überraschender stellten wir fest, dass ihre Einbeziehung das lineare Wachstum durchbrach und eine Art kleine Welle in die Beziehung einführte, einen kleinen Knick, der bei Anfangsmassen um 2 Sonnenmassen seinen Höhepunkt erreichte, schrieb Marigo für „Nature“ in einem Artikel über die Forschungsarbeit.

Bisher wurde angenommen, dass Sterne, die vor etwa 1,5 Milliarden Jahren in unserer Galaxie geboren wurden, Weiße Zwerge mit etwa 60-65% der Masse unserer Sonne produziert haben. Stattdessen stellte sich heraus, dass sie starben und massivere kompakte Überreste zurückließen, etwa 70-75% der Sonnenmassen.



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Was erklärt dies?




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In ihrer Interpretation stellen Marigo und Kollegen strenge Beschränkungen, wie und wann Kohlenstoff von Sternen unserer Galaxie produziert wurde und schließlich in dem Rohmaterial gefangen war, aus dem die Sonne und ihr Planetensystem vor 4,6 Milliarden Jahren entstanden.

Sterne mit etwa 2 Sonnenmassen produzierten in ihren letzten Lebensphasen in ihrem heißen Inneren neue Kohlenstoffatome, transportierten sie an die Oberfläche und verbreiteten sie schließlich durch sanfte Sternwinde in das interstellare Medium. Unsere detaillierten Sternmodelle zeigen, dass die Ablösung des kohlenstoffreichen äußeren Mantels langsam genug erfolgte, um den zentralen Kernen dieser Sterne, den zukünftigen Weißen Zwergen, ein beträchtliches Massenwachstum zu ermöglichen, schrieb Marigo.

Aus einer Analyse des anfänglichen-endgültigen Massenverhältnisses um den kleinen Knick zogen die Forscher ihre Schlüsse auf den Größenbereich der Sterne, die Kohlenstoff zur Milchstraße beisteuerten. Auch Sterne mit einer Masse von mehr als 2 Sonnenmassen trugen zur galaktischen Anreicherung von Kohlenstoff bei. Sterne mit weniger als 1,65 Sonnenmassen taten dies nicht. Mit anderen Worten, 1,65-Msun (1,65-fache der Masse der Sonne) stellt die minimale Masse dar, damit ein Stern seine kohlenstoffreiche Asche beim Tod ausbreitet, schrieb Marigo.

Wie ist dies im Vergleich zu den bestehenden Theorien der Kohlenstoffanreicherung?

Tatsächlich spricht sich unsere Studie für keines der Szenarien aus, sagte Marigo gegenüber The Indian Express. Beide Quellen (massearme und massereiche Sterne) haben wahrscheinlich dazu beigetragen, in unterschiedlichen Anteilen (noch ungewiss). Die Festlegung der minimalen Anfangsmasse für die Produktion von Kohlenstoff in Sternen mit geringer Masse sei ein wertvolles Ergebnis, da es beim Zusammenfügen der Puzzleteile hilft, sagte sie.

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