ISTA-Forschende identifizieren eine neue Klasse von Sternenüberresten

In etwa fünf bis acht Milliarden Jahren wird sich unsere Sonne in einen Weißen Zwerg entwickeln – ein extrem dichtes, erdgroßes stellares Überbleibsel, das seinen Brennstoff aufgebraucht und seine äußere Schicht abgestoßen hat. Doch während unsere Sonne ein isolierter Stern ist, hat die Forschung in den letzten 15 Jahren gezeigt, dass binäre oder Mehrsternsysteme viel häufiger sind, als Astronom:innen einst dachten. Wenn ein dichtes und kompaktes Überbleibsel wie ein Weißer Zwerg an einem Binärsystem beteiligt ist, ‚reißt‘ es oft Material von seinem Begleitstern ab. Dieser Prozess, genannt „Akkretion“, emittiert normalerweise Röntgenstrahlen als charakteristische Signatur.

Nun bestätigen Wissenschafter:innen aus der Gruppe um Ilaria Caiazzo, Assistenzprofessorin am Institute of Science and Technology Austria (ISTA), die Entdeckung eines Röntgensignals in nicht nur einem, sondern zwei isolierten Objekten namens „Gandalf“ und „Moon-Sized“. Hochmagnetisch und schnell rotierend, werden diese beiden Objekte als „Verschmelzungsüberreste“ bezeichnet, da sie jeweils als Ergebnis einer gewaltsamen kosmischen Kollision entstanden sind. Indem sie ohne Begleiter Röntgenstrahlen emittieren, bilden sie nun eine eigene neue Klasse.

Gandalf – Der Herr der Halbringe?

Gandalf ist keine ganz neue Entdeckung. Caiazzo beobachtete ihn während ihrer Forschung als Postdoktorandin und klassifizierte ihn als interessantes Objekt aufgrund von Signalen, die auf das Vorhandensein von Material um ihn herum hindeuteten.

„Wir dachten zunächst, es handele sich um ein Binärsystem“, sagt Andrei Cristea, ein Doktorand in der Caiazzo Gruppe und Erstautor des in Astronomy & Astrophysics veröffentlichten Artikels über Gandalf. „Bei dem extrem hohen Magnetismus des Überrests sollte seine Drehung mit der Umlaufbahn seines Begleiters synchronisiert sein, ähnlich wie die Erdrotation mit der Mondumlaufbahn“, fügt er hinzu. Die schnellste bisher beobachtete Umlaufzeit beträgt jedoch 80 Minuten. Gandalf hingegen dreht sich alle sechs Minuten um seine Achse. Laut Cristea ist dies nur eines seiner rätselhaften Merkmale.

„Wäre Gandalf Teil eines Binärsystems, wäre er höchst unsynchronisiert, was ihn noch rätselhafter machen könnte, als er ohnehin schon ist. Aber wir haben nie einen Begleiter gefunden. Woher kommt also das Material um ihn herum?“

Um diese Frage zu beantworten, zog das Team einen Hinweis aus optischen Emissionsspektren heran, einer in der Astronomie weit verbreiteten Beobachtungstechnik.

„Wir sahen Wasserstoff-Emissionsspektren, die eine doppelte Spitzen-Signatur zeigten, ähnlich Katzenohren“, sagt Cristea. „Normalerweise weist diese Signatur auf das Vorhandensein einer Materialscheibe um einen Verschmelzungsüberrest hin. Bei genauerer Betrachtung erkannten wir jedoch, dass das Signal über die sechsminütige Rotationsperiode des Überrests zwischen den beiden Spitzen wechselte.“ Diese seltsame Beobachtung passte zum Vorhandensein eines Halbrings von Material, das den Stern umkreist. „So etwas haben wir bei keinem Weißen Zwerg zuvor gesehen“, fügt er hinzu.

Damit das Material um den Verschmelzungsüberrest asymmetrisch in einer Halbring-Konfiguration gefangen sei, benötigt es ein starkes und asymmetrisches Magnetfeld im Objekt selbst, so das Team.

„Zu beachten ist, dass Weiße Zwerge ähnlichen Alters und Entwicklungsstadiums typischerweise nicht magnetisch sind“, sagt Cristea. „Während hochmagnetische Weiße Zwerge bereits eine Ausnahme sind, ist Gandalf jetzt einer von nur zwei bekannten Verschmelzungsüberresten mit asymmetrischer Magnetisierung.“ All diese rätselhaften Gründe führten Cristea dazu, dieses Sternobjekt nach dem berühmten Protagonisten in J. R. R. Tolkiens Romanen zu benennen, der gerne in Rätseln spricht.

Moon-Sized – Gandalfs weiterentwickelter Zwilling?

Obwohl das Team keinen Begleiter für Gandalf fand, könnte er dennoch einen ‚Zwilling‘ in einer völlig anderen Region des Universums haben.

Der Weiße Zwerg namens „Moon-sized“, dessen Entdeckung Caiazzo 2021 veröffentlichte, weist eine Reihe einzigartiger Eigenschaften auf. Neben seiner hohen Magnetisierung und Rotationsgeschwindigkeit besitzt er sogar eine Masse, die der der Sonne ähnelt, bei einer Größe, die mit der des Mondes vergleichbar ist– oder etwas größer, wie neue Beweise in einem arXiv-Preprint mit dem Erstautor Aayush Desai, einem weiteren Doktoranden der Caiazzo Gruppe, zeigen.

Die ISTA Astronom:innen fanden heraus, dass Moon-Sized und Gandalf fünf gemeinsame Merkmale teilen. Zusätzlich dazu, dass sie ultra-massiv, hochmagnetisch und schnell rotierend sind, existieren sie ohne Begleitstern und senden Röntgenstrahlen aus. Diese fünf gemeinsamen Eigenschaften führten die ISTA-Wissenschafter:innen dazu, Gandalf und Moon-Sized als zwei Mitglieder einer neuen Klasse von Überresten vorzuschlagen.

Die beiden Objekte unterscheiden sich jedoch auch erheblich: Im Gegensatz zu Gandalf zeigt Moon-Sized keine Anzeichen von umgebendem Material. Außerdem ist Gandalf das Ergebnis einer Kollision, die vor 60 bis 70 Millionen Jahren stattfand, während Moon-Sized sieben- bis achtmal älter ist, da sein Verschmelzungsereignis vor etwa 500 Millionen Jahren stattfand. Ein weiterer wichtiger Unterschied ist, dass Gandalfs Röntgenemissionen 100-mal heller sind, was darauf hindeutet, dass Moon-Sized möglicherweise ein älterer, weiterentwickelter ‚Zwilling‘ ist, in dem die Quelle der Röntgenstrahlen schwindet.

Welche Kriterien können eine neue Klasse von Sternen oder Überresten definieren?

Astronom:innen sind sich einig, dass je näher ein Objekt im Universum zu uns ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es häufig vorkommt. Dennoch könnte jedes neue Objekt Interesse unter Forschenden wecken.

Caiazzo erklärt: „Wenn wir ein neues Objekt in den Weiten des Universums finden, wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass es das Einzige seiner Art ist? Normalerweise reicht ein Sternobjekt mit neuen Merkmalen aus, um nach ähnlichen Sternen zu suchen. Aber hier haben wir tatsächlich zwei Objekte mit fünf sich überschneidenden Merkmalen gefunden. Für eine neue Klasse von Sternüberresten ist das mehr als genug!“

Röntgenstrahlen und die Geheimnisse der Sternentwicklung

Das Team schlägt mehrere Szenarien vor, um ihre Entdeckungen zu erklären, insbesondere die Quelle der Röntgenstrahlen.

Im ersten Szenario könnte ein hochmagnetischer Stern schnell genug rotieren, um eine starke Kraft zu erzeugen, die Material von sich selbst extrahiert. „Das ist mein bevorzugtes Szenario, weil es nur den Weißen Zwerg selbst berücksichtigt, anstatt Material, das von außerhalb des Sternüberrests stammt“, sagt Desai. Nach Ansicht des Teams ist dieses sogenannte „Ausfluss“-Szenario von stark magnetisierten Neutronensternen bekannt, die „Pulsare“ genannt werden, obwohl es bei einem Weißen Zwerg nie modelliert wurde.

In ihrem zweiten Szenario – diesmal unter Einbeziehung eines „Zuflusses“ von Material – schlagen sie vor, dass ein ‚verbliebener‘ Materialpfad, der vom Verschmelzungsereignis stammt, nach dem Zusammenprall möglicherweise nicht vollständig auf den Sternüberrest aufgesammelt wurde. Indem es mit hoher Exzentrizität um den Verschmelzungsüberrest kreist – was bedeutet, dass es sich über eine große Bahn weit vom Stern entfernt bewegt, bevor es nahe zurückkehrt –, könnte dieser Pfad über Hunderte Millionen von Jahren auf den Überrest ‚zurückfallen‘.

In ihrem dritten Szenario untersucht das Team eine weitere „Zufluss“-Quelle von externem Material. „Wir wissen, dass ein Drittel der Weißen Zwerge ‚verschmutzt‘ ist“, sagt Desai. „Sie sind so dicht, dass wir erwarten würden, dass fremde Körper, etwa Asteroiden oder sogar zerstörte planetare Körper, auf sie kollabieren.“ 

Während Gandalf einige Anzeichen von Verschmutzung zeigt, möglicherweise durch kohlenstoff- oder siliziumreiche Materialien, hat das Team keine solchen Signale am erheblich älteren Moon-Sized nachgewiesen. „Dieses Szenario scheint weniger wahrscheinlich, da es nicht vollständig erklärt, warum wir die Röntgenstrahlen in beiden Objekten gerade jetzt sehen“, erklärt Desai.

Obwohl das Team wichtige Erkenntnisse über Moon-Sized und Gandalf gewonnen hat, ist weitere Forschung erforderlich, um zu verstehen, wie diese Sterne ihre Planetensysteme beeinflussen könnten.

„Die beiden bisher identifizierten Objekte haben viele Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede“, erklärt Desai. „Das Auffinden weiterer solcher Überreste wird uns helfen, Szenarien auszuschließen und möglicherweise ganz andere Erklärungen zu finden.“

Vorerst bleibt die Herausforderung zu bestimmen, ob eines der fünf sich überschneidenden Parameter entscheidend für die Zugehörigkeit zu dieser neuen Klasse ist.

Publikationen:

Andrei A. Cristea, Ilaria Caiazzo, et al. 2026. A half ring of ionized circumstellar material trapped in the magnetosphere of a white dwarf merger remnant. Astronomy & Astrophysics. DOI: 10.1051/0004-6361/202556432

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202556432 

Aayush Desai, Ilaria Caiazzo, et al. 2025. Magnetic Atmospheres and Circumstellar Interaction in J1901+1458: Revisiting the Most Compact White Dwarf Merger Remnant in the light of new UV and X-ray data. arXiv. DOI: 10.48550/arXiv.2509.03216

https://doi.org/10.48550/arXiv.2509.03216