1995 richteten Raghvendra Sahai und Lars-Åke Nyman das damals neue Swedish-ESO Submillimetre Telescope in Chile auf ein unscheinbares Objekt im Sternbild Zentaur. Was sie fanden, sprengte jede Erwartung. Der 5000 Lichtjahre entfernte Bumerangnebel, bis dahin bekannt als junger, etwas lopsided geformter Nebel, strahlte auf einer Wellenlänge, die nur eines bedeuten konnte: Er war kälter als der leere Raum selbst. Kälter als die kosmische Hintergrundstrahlung, dieses Nachglühen des Urknalls, das mit 2,7 Kelvin die natürliche Temperatur des Universums vorgibt. Der Bumerangnebel kam auf weniger als ein Kelvin. Das ist kälter, als es im Universum eigentlich sein dürfte.
Ich hab die Originalarbeit von 1997 gelesen, während ich diesen Artikel recherchiert habe. Die Zahlen sind absurd: −272,15 °C, ein Grad über dem absoluten Nullpunkt. Die tiefste jemals gemessene natürliche Temperatur im Kosmos. Kälter als die Pluto-Oberfläche. Kälter als jede Wolke aus interstellarem Gas. Kälter als der gesamte leere Raum dazwischen.
Die Frage, die Astronomen fast drei Jahrzehnte beschäftigte: Wie zur Hölle macht man einen Ort kälter als den Urknall?
Der Kühlschrank des Kosmos #
Die Antwort liegt in einem physikalischen Prinzip, das jeder kennt, der schon mal eine Druckluftdose entleert hat. Wenn sich ein Gas ausdehnt, kühlt es ab. Warum? Die Moleküle verlieren Energie, während sie gegen ihre Umgebung arbeiten. Es ist derselbe Effekt, der eine Spraydose kalt werden lässt. Nur dass hier im Bumerangnebel kein bisschen Druckluft expandiert, sondern die gesamte äußere Hülle eines sterbenden Sterns.
Man muss sich die Zahlen mal klarmachen. Der Zentralstern, ein alternder Roter Riese, schleudert sein Gas mit 164 Kilometern pro Sekunde ins All. Das ist sechsmal schneller als die Fluchtgeschwindigkeit von der Sonne. In nur etwa 1000 Jahren hat sich eine Wolke aus 3,3 Sonnenmassen Gas und Staub gebildet, die sich bis auf 120.000 Astronomische Einheiten erstreckt. Fast zwei Lichtjahre.
Die Expansion ist so schnell und so massiv, dass sich das Gas nicht wieder aufwärmen kann. Die Strahlung des Zentralsterns, die normalerweise das umliegende Gas aufheizen würde, erreicht die äußeren Schichten kaum noch. Das Ergebnis: Ein Ort, der effizienter kühlt als alles andere im Universum.
So weit, so klar. Aber die eigentliche Frage blieb: Wie schafft es ein einzelner, sterbender Stern, eine derart extreme Ausströmung zu erzeugen?
Die zweite Katastrophe #
Hier wird die Geschichte richtig interessant. 2017 veröffentlichte dasselbe Team um Sahai neue ALMA-Daten, die ein völlig anderes Bild zeichneten. Die hochaufgelösten Radiobeobachtungen zeigten die bekannte Sanduhrform, aber auch einen dichten Gürtel aus Staub und Gas um die Äquatorregion des Nebels. Und dieser Gürtel war älter als der schnelle Ausfluss.
Die zeitliche Abfolge passte nicht zu einem normalen Sternentod.
Sahais Team schlug eine dramatische Erklärung vor: Der Rote Riese hatte ursprünglich einen Begleitstern. Als der Riese anschwoll und seine Hülle ausdehnte, tauchte der kleinere Stern in sie ein. Wie ein Stein, der in einen Teich fällt. Was folgte, war eine Common-Envelope-Phase: Der Begleitstern spiralisierte immer tiefer in den Riesen hinein, bis er schließlich mit dessen Kern verschmolz.
Dabei wurde die gesamte äußere Hülle des Riesen weggeschleudert. Der Jet war zehnmal schneller und massiver, als es ein einzelner Stern je hätte produzieren können.
Was mich an dieser Theorie überzeugt, ist die Konsequenz. Wenn Sahai und sein Team recht haben, und die Evidenz ist stark, dann existiert der Bumerangnebel, wie wir ihn heute sehen, nur wegen einer kosmischen Kollision. Ein zweiter Stern musste sterben, damit dieser eine zum kältesten Ort des Universums werden konnte.
Eine Eiskugel in aufgeheizter Umgebung #
ALMA entdeckte noch etwas Unerwartetes: An den äußeren Rändern des Nebels wird das Gas langsam wieder wärmer. Die ultra-kalte Region ist von Zonen umgeben, in denen Kohlenmonoxid-Moleküle wieder stärker strahlen. Ein Zeichen dafür, dass die äußersten Schichten durch UV-Licht von nahen Sternen oder durch photoelektrische Aufheizung an Staubkörnern allmählich Energie aufnehmen.
Es ist ein Wettlauf: Der Stern stößt Material ab, das sich rapide abkühlt, während die Umgebung es von außen wieder aufheizt. Der Bumerangnebel existiert in einem fragilen Gleichgewicht, das ihn zum kältesten Objekt macht. Aber nur temporär. In einigen tausend Jahren wird er sich wieder auf kosmische Durchschnittstemperatur eingependelt haben.
Kein anderer bekannter Ort im Universum durchläuft diese Phase. Der Bumerangnebel ist ein Extremfall, der in der gesamten beobachteten Astrophysik seinesgleichen sucht.
Was bleibt #
Ich finde diese Geschichte aus einem Grund so faszinierend: Sie verbindet zwei scheinbar gegensätzliche Extreme. Ein sterbender Stern, der so viel Energie abstrahlt, dass wir ihn aus 5000 Lichtjahren Entfernung sehen können, und der gleichzeitig den kältesten natürlichen Ort im gesamten Universum erschafft. Hitze und Kälte, Kollision und Stille.
Vielleicht ist der Bumerangnebel ein Vorgeschmack darauf, wie viele bizarre Phänomene noch auf uns warten. Objekte, deren bloße Existenz uns zwingt, unsere Modelle von Sternentwicklung und binären Systemen zu überdenken. Ein Nebel, der kälter ist als die Leere. Wer hätte das für möglich gehalten?
Quellen #
- Wikipedia: Boomerang Nebula
- Universe Today: We Finally Know why the Boomerang Nebula is Colder than Space Itself
- Sahai et al. 2013: ALMA Observations of the Coldest Place in the Universe (arXiv:1308.4360)
- Sahai et al. 2017: The Coldest Place in the Universe: Probing the Ultra-cold Outflow and Dusty Disk in the Boomerang Nebula (arXiv:1703.06929)
- Spektrum: Warum ist es am kältesten Ort des Alls so kalt?
- Welt der Physik: Neues vom kältesten Ort des Universums
- NRAO: ALMA Reveals Ghostly Shape of Coldest Place in the Universe
- ESO: True shape of the Boomerang