Supernova Ia – Der Explosionsursache auf der Spur

Rasmus Voss ist Astronom im neu gegründeten Exzellenzcluster "Origin and Structure of the Universe" der TU München [1] und gehört einem der Cluster-Institute in Garching/München an, nämlich dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. Zusammen mit Gijs Nelemans von der Universität Radboud in den Niederlanden untersuchte Voss den Explosionsort einer Sternexplosion – einer Supernova – allerdings vor der Explosion. Die Astronomen machten sich zunutze, dass die Beobachtungsdaten in einem riesigen Archiv über die Jahre gesammelt werden. Das erlaubt interessante Objekte auch rückblickend zu erforschen. Gegenstand ihres Interesses war die Supernova SN2007on, die in der elliptischen Galaxie NGC 1404 beobachtet wurde. Dabei handelt es sich um einen speziellen Typ Supernova, nämlich eine Supernova Ia [2]. Die Astrophysiker erklären diese Explosion so, dass ein kompakter, alter Stern im Endstadium explodiert. Genauer gesagt handelt es sich um einen Weißen Zwerg [3], ein Körper von der Größe der Erde, aber von der Masse der Sonne. Dieses Endstadium wird auch unsere Sonne in wenigen Milliarden Jahren erreichen.

Motivation der Suche
Die Astronomen Voss und Nelemans wollten mit alten Beobachtungsdaten herausfinden, wie der Stern vor der Explosion aussah. Dazu analysierten sie die etwa vier Jahre alten Röntgenbeobachtungen des US-amerikanischen Weltraumteleskops Chandra. Ihre Mühe hatte sich gelohnt: Voss und Nelemans machten eine aufregende Entdeckung, die in der heutigen Ausgabe von Nature vorgestellt wird [4].

Explosionsmodell 1: Ein Weißer Zwerg frisst Nachbarstern
Supernovae Ia werden in einem gängigen Modell so erklärt, dass sich der Weiße Zwerg in einem Doppelsternsystem mit einem normalen Stern befindet. In diesem System umkreisen sich die Sterne so eng, dass ein Massenübertritt vom normalen Stern zum Zwerg stattfinden kann. Gewissermaßen "frisst" der Zwerg seinen Nachbarstern aus. Dieser Vorgang geht nicht lange gut, weil Weiße Zwerge eine Maximalmasse haben. Dies fand der indische Astrophysiker S. Chandrasekhar bereits in den 1930er Jahren heraus. Nach ihm wurde daher die Grenzmasse Chandrasekhar-Grenze benannt. Sie beträgt etwa 1,4 Sonnenmassen und ist nur von der chemischen Zusammensetzung des Weißen Zwergs abhängig.
Überschreitet nun der Zwergstern bei der Aufsammlung der Sternmaterie seines Nachbarn das Chandrasekhar-Limit, dann wird der Zwerg instabil und explodiert in einer thermonuklearen Explosion wie eine Wasserstoffbombe.

Explosionsmodell 2: Zwei Weiße Zwerge kollidieren
Im Alternativmodell sieht es anders aus: Hier umkreisen sich zwei Weiße Zwerge, kommen sich (u.a. wegen der Abstrahlung von Gravitationswellen) mit der Zeit näher und näher und stoßen schließlich zusammen. In diesem Zusammenstoß wird ebenfalls die Chandrasekhar-Massengrenze überschritten. Als Konsequenz gibt es ebenfalls eine Supernova.

Was ist der Unterschied?
Das allmähliche Aufsammeln von Materie durch den Zwerg in Modell 1 bleibt dem astronomischen Beobachter nicht verborgen. Die aufgesammelte Masse stößt mit der Oberfläche des Weißen Zwergs zusammen, wird extrem heiß und bildet eine Art glühende Schicht. Die Temperatur dieser Schicht ist so hoch, dass sie mittels Röntgenstrahlung beobachtbar ist. In Modell 2 fehlt diese Schicht, weil erst im letzten Moment zwei Weiße Zwerge kollidieren und explodieren.

Die Entdeckung
Voss und Nelemans haben nun mit Chandra das "Röntgenglimmen" vor der Supernova-Explosion entdeckt. Das favorisiert klar das Explosionsmodell 1 mit einem Materie aufsammelnden (akkretierenden) Weißen Zwerg. Der Motor der Supernovae Ia scheint geklärt zu sein!

Unwägbarkeiten
Messungen sind immer mit Messfehlern behaftet. So gibt es auch bei dieser Beobachtung eine Unsicherheit: Haben Voss und Nelemans wirklich den Vorläufer der Supernova 2007on entdeckt? Optische Nachbeobachtungen von Voss, Nelemans und weiteren Kollegen lassen Zweifel aufkommen, weil hier die Orte der Supernova und der Röntgenquelle leicht abweichen. Weitere Untersuchungen sind also nötig, um Explosionsmodell 1 zu belegen.
Dennoch zeigt die aktuelle Nature-Publikation, dass diese Methode viel versprechend ist: Daten über Jahre aufzuzeichnen und später zur Nachanalyse wieder auf den Tisch zu bringen.
Ein präzises Verständnis des Explosionsmechanismusses der Supernovae Typ Ia ist insbesondere deshalb von großem Interesse, weil sie in der experimentellen Kosmologie als Werkzeug benutzt werden. Denn die absoluten Maximalhelligkeiten der Supernovae Ia sind immer nahezu identisch, weil die Chandrasekhar-Grenzmasse eine immer nahezu konstante Explosionsenergie bedingt. Astronomen nennen die Supernovae Ia daher "gute Standardkerzen". Ob sie das tatsächlich sind, müssen Studien wie die von Voss und Nelemans erweisen.

Was ist der Exzellenzcluster Universe?
Voss und viele andere Physiker gehören einem neuen Netzwerk der Spitzenforschung an, dem Exzellenzcluster Universe. Diese Institution in Garching/München setzt sich aus den beiden Münchner Unis, LMU und TUM, der Universitätssternwarte München, einigen Max-Planck-Instituten (MPE, MPA, MPP, IPP) und der Europäischen Südsternwarte ESO zusammen. Das erklärte Ziel der Wissenschaftler an diesen Instituten ist es, das Weltall als Ganzes zu erforschen. Dazu ist eine fachübergreifende Zusammenarbeit von Kern-, Teilchen- und Astrophysikern notwendig. Sie tauschen direkt ihre Forschungsergebnisse und -methoden aus, um den Geheimnissen des Kosmos auf die Spur zu kommen. Die Forschungsfragen sind vielfältig und beschäftigen sich u.a. mit dem Ursprung und Entwicklung der Naturkräfte, der Elementarteilchen, der Galaxien, Sterne und Schwarzen Löcher. Erste Erfolge dieser interdisziplinären Kooperation sind schon jetzt sichtbar, z.B. auf dem Gebiet der Elemententstehung in Sternexplosionen, bei der Neutrinophysik oder im Verständnis von aktiven Galaxien und kosmischer Strahlung.

Quellen:
[1] Exzellenzcluster Universe der TU München
[2] Astronomiewissen, Lexikoneintrag Supernova
[3] Astronomiewissen, Lexikoneintrag Weißer Zwerg
[4] Publikation von Voss & Nelemans in Nature 451, 802-804 (14. Februar 2008)
[5] Astronomiewissen, Lexikoneintrag Chandrasekhar-Grenze

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Die Astronomie ist faszinierend und schön – und wichtig. Diese interdisziplinäre Naturwissenschaft finde ich so spannend, dass ich sie zu meinem Beruf gemacht habe. Ich bin promovierter Astrophysiker und befasse mich in meiner Forschungsarbeit vor allem mit Schwarzen Löchern und Allgemeiner Relativitätstheorie. Aktuell bin ich der Scientific Manager im Exzellenzcluster Universe der Technischen Universität München. In dieser Tätigkeit im Forschungsmanagement koordiniere ich die interdisziplinäre, physikalische Forschung in einem Institut mit dem Ziel, Ursprung und Entwicklung des Universums als Ganzes zu verstehen. Besonders wichtig war mir schon immer eine Vermittlung der astronomischen Erkenntnisse an eine breite Öffentlichkeit. Es macht einfach Spaß, die Faszination am Sternenhimmel und an den vielen erstaunlichen Dinge, die da oben geschehen, zu teilen. Daher schreibe ich Artikel (print, online) und Bücher, halte öffentliche Vorträge, besuche Schulen und veranstalte Lehrerfortbildungen zur Astronomie, Kosmologie und Relativitätstheorie. Ich schätze es sehr, in meinem Blog "Einsteins Kosmos" in den KosmoLogs auf aktuelle Ereignisse reagieren oder auch einfach meine Meinung abgeben zu können. Andreas Müller

2 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Zweifel…

    Hallo,

    Ein sehr interessanter Artikel. Allerdings bin ich doch ein bisschen skeptisch. Kann man denn mit der verwendeten Röntgentechnik überhaupt einzelne Sternsysteme in der rund 60 Millionen LJ entfernten Galaxie NGC 1404 auflösen? Aus dem Abstract des Nature-Artikels entnehme ich, dass frühere optische Beobachtungen kein Objekt an der Stelle der Röntgenemissionen zeigten, und daraus wird geschlossen, dass es sich bei dem Röntgenobjekt um den Vorläuferstern der SN handelt. Das überzeugt mich ehrlich gesagt nicht. Zumal die Positionen von SN und Röntgenqquelle nicht übereinstimmen, wie du schreibst.

    Viele Grüße, Jan

  2. @ Jan Hattenbach

    Hallo Blogger-Kollege Jan,

    Deine Zweifel sind insofern berechtigt, dass solche Untersuchungen äußerst schwierig sind.
    Zur räumlichen Auflösung der Teleskope möchte ich Folgendes sagen: Chandra schafft bis zu 0,5 Bogensekunden (entspricht 10fach HST), was in einer Entfernung von 20 Mpc (= 65 Mio. Lj) vor Ort der Quelle 160 Lj Abstand entspricht. Da passen natürlich allerhand Quellen hinein – statistisch gesehen aber nicht beliebig viele. Als Abschätzung möge die Überlegung dienen, wie viele Weiße Zwerge sich in der Umgebung der Sonne in 160 Lj Abstand befinden.
    Dass man das Sternfeld um NGC 1404, der Wirtsgalaxie der SN2007on, gut abbilden kann, belegen die Röntgenbilder von Chandra und die optischen Bilder von Swift unter folgendem Link: http://chandra.harvard.edu/photo/2008/ngc1404/
    Die berechtigten Zweifel haben zu ernsthaften Nachuntersuchungen geführt: Voss und Mitarbeiter haben bereits ein Papier zur detaillierten, astrometrischen Nachuntersuchung mit Chandra von SN2007on vorabveröffentlicht (Roelofs et al., 14.02.08, http://arxiv.org/abs/0802.2097 – zeitgleich mit Deinem Posting). Diese Beobachtungen haben den Offset zwischen Röntgenquelle und optischer Position von SN2007on nochmals auf 1,2 Bogensekunden verringert. In einer Wahrscheinlichkeitsuntersuchung (Monte-Carlo-Simulationen) konnten die Autoren zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Röntgenquelle tatsächlich mit der Supernova übereinstimmt nur etwa ein Prozent beträgt!
    Die neue direkte Methode von Voss und Nelemans, um die Vorläufersysteme von Supernovae Ia zu entlarven, erweist sich jedoch als sehr mächtig. Deshalb erschien die Publikation trotz Unwägbarkeiten in nature.
    Übrigens: Tatsächlich muss es auch Explosionen des Alternativmodells mit zwei kollidierenden Weißen Zwergen geben. Es ist nun eine Aufgabe der Beobachter beide Szenarien in der Natur nachzuweisen.

    Beste Grüße,
    Andreas

    p.s.: Wünsche Clear Skies für die MoFi!

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