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Originalveröffentlichung

1.
Jerkstrand, A., et al.
Long-duration Superluminous Supernovae at Late Times

MPA News

Der Natur der leuchtkräftigsten Explosionen auf der Spur

15. Februar 2017

Supernovae sind extrem helle Sternexplosionen – aber es geht noch heller: es gibt sogar superleuchtkräftige Supernovae. Die Natur dieser extrem leuchtstarken Explosionen blieb jedoch lange ein Rätsel. In einer neuen Studie präsentieren MPA-Forscher nun ihre Simulationen von Supernova-Spektren Monate und sogar Jahre nach dem Ausbruch. Sie zeigen damit, dass diese eine sehr große Ähnlichkeit zu Gamma-Ray-Bursts haben, einer anderen Art von hochenergetischen Explosionen. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse auf sehr hohe Massen von Sauerstoff und Magnesium hin und damit auf sehr massereiche Vorläufer-Sterne, die einen exotischen Explosionsmechanismus einsetzen anstatt der Neutrino-getriebenen Explosion, die als Standard für die meisten Supernovae verantwortlich sein dürfte.

<p>Diese beiden Bilder zeigen Beobachtungen einer superleuchtkräftigen Supernova, entdeckt im Rahmen des Palomar Transient Factory Projectes im Jahr 2009 (PTF09cnd, z= 0.258). Das Bild vor der Explosion (links) ist aus Archivdaten des Sloan Digital Sky Survey, das Bild nach der Explosion wurde zusammengesetzt aus Aufnahmen mit dem 1.5-m Teleskop am Palomar Observatorium, dem 1.0-m Teleskop am Wise Observatorium und dem Ultraviolet/Optical-Telekop auf dem Swift-Weltraumteleskop der NASA.</p> Bild vergrößern

Diese beiden Bilder zeigen Beobachtungen einer superleuchtkräftigen Supernova, entdeckt im Rahmen des Palomar Transient Factory Projectes im Jahr 2009 (PTF09cnd, z= 0.258). Das Bild vor der Explosion (links) ist aus Archivdaten des Sloan Digital Sky Survey, das Bild nach der Explosion wurde zusammengesetzt aus Aufnahmen mit dem 1.5-m Teleskop am Palomar Observatorium, dem 1.0-m Teleskop am Wise Observatorium und dem Ultraviolet/Optical-Telekop auf dem Swift-Weltraumteleskop der NASA.

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Superleuchtende Supernovae sind eine neue und exotische Klasse von Sternexplosionen, die bis zu 100-mal mehr Energie abstrahlen als normale Supernovae. Obwohl sie so extrem hell sind, wurden sie erst vor etwa 10 Jahren entdeckt, da sie bei großen Entfernungen auftreten und sehr selten sind (nur etwa 1 zu 1000 normalen Supernovae).

Der Ursprung der enormen Leuchtkraft und die Eigenschaften der Vorläufersterne stellen die Wissenschaft vor ein Rätsel. Sie könnten durch schnell rotierende und hoch magnetische Neutronensterne (sogenannte Magnetare) angetrieben werden, durch ein neu entstandenes schwarzes Loch, riesige Mengen an Radioaktivität oder heftige Kollisionen mit dem dichten Material um den Stern. Welche Art von Vorläufersternen stecken dahinter? Warum treten sie ausschließlich in ungewöhnlichen Zwerggalaxien auf?

In einer neuen Studie unter der Leitung von Dr. Anders Jerkstrand, Marie-Curie Fellow am Max-Planck-Institut für Astrophysik, werden einige wichtige neue Fortschritte vorgestellt, die auf der Berechnung von Modellspektren der Supernovae beruhen. „Etliche Monate oder sogar Jahre nachdem eine Supernova explodiert ist, wenn das ausgeworfene Material sich ausdehnt und abkühlt, zeigen die Spektren charakteristische Anzeichen der Elemente, die im Innern des Stern erzeugt worden sind,“ erklärt Jerkstrand. „Wenn wir nun die beobachteten mit den berechneten Modellspektren in dieser Phase vergleichen, können wir einen Einblick in die inneren Schichten des Vorläufersterns erhalten, was wiederum den Ursprung und die Natur dieser Explosionen stark einschränkt.“

<p>Spektren aus neuen Beobachtungen von zwei superleuchtkräftigen Supernovae, beobachtet zwischen Feb. 2014 und März 2016. Außerdem ist noch das neu reduzierte Spektrum einer dritten superleuchtkräftigen Supernova gezeigt, die ursprünglich 2008 beobachtet wurde (Gal-Yam+2009). Die Identifikation einiger Linien ist ebenfalls gegeben.</p> Bild vergrößern

Spektren aus neuen Beobachtungen von zwei superleuchtkräftigen Supernovae, beobachtet zwischen Feb. 2014 und März 2016. Außerdem ist noch das neu reduzierte Spektrum einer dritten superleuchtkräftigen Supernova gezeigt, die ursprünglich 2008 beobachtet wurde (Gal-Yam+2009). Die Identifikation einiger Linien ist ebenfalls gegeben.

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Die Interpretation der Spektren erfordert anspruchsvolle Modelle, wie die Strahlung das expandierende Gas durchdringt, sowie die Einbeziehung der neuesten Atomphysik in die detaillierten Modelle. Die Kombination aus hochmodernen neuen Modellen, angewandt auf erstklassige Daten (erhalten im Rahmen des PESSTO-Survey mit Teleskopen der Europäischen Südsternwarte) dieser Supernovae lange nach der Explosion macht diese Studie einzigartig.

Somit zeigt die Studie zum ersten Mal ganz klar die chemische Zusammensetzung dieser Explosionen. Die neuen Spektren zeigen starke Ähnlichkeiten mit Gammastrahlen-Ausbrüchen – das erste Mal, dass diese Verbindung hergestellt werden konnte. Man glaubt, dass Gammastrahlen-Ausbrüche durch die Bildung eines Schwarzen Lochs entstehen, das einen relativistischen Strahl durch den einfallenden Stern hindurch schickt, oder auch durch die Entstehung eines hochmagnetischen Neutronensterns. Gammastrahlen-Ausbrüche sind ebenso selten wie superleuchtkräftige Supernovae und treten ebenfalls bei unregelmäßigen Zwerggalaxien mit geringer Metallizität auf. Einige von ihnen werden tatsächlich auch von einer Supernova begleitet; bisher allerdings immer bei viel kleineren Luminositäten und mit sehr viel geringerer Dauer als die superleuchtkräftigen Supernovae.

<p>Hier sind die beobachteten Helligkeiten bei einer Sauerstofflinie gezeigt (grauer Balken) sowie der Vergleich mit drei unterschiedlichen Modellrechnungen, die sich jeweils in der Sauerstoffmasse unterscheiden (3, 10 und 30 Sonnenmassen). Dies zeigt anschaulich, dass die Sauerstoffmasse recht hoch sein muss, um die Beobachtungen über einen weiten Bereich der Energiezufuhr abzubilden.</p> Bild vergrößern

Hier sind die beobachteten Helligkeiten bei einer Sauerstofflinie gezeigt (grauer Balken) sowie der Vergleich mit drei unterschiedlichen Modellrechnungen, die sich jeweils in der Sauerstoffmasse unterscheiden (3, 10 und 30 Sonnenmassen). Dies zeigt anschaulich, dass die Sauerstoffmasse recht hoch sein muss, um die Beobachtungen über einen weiten Bereich der Energiezufuhr abzubilden.

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Als zweites wichtiges Ergebnis zeigen die spektralen Synthesemodelle, dass diese superleuchtkräftigen Supernovae sehr hohe Mengen an Sauerstoff enthalten – mit die höchsten Sauerstoffmassen, die je für eine Supernova abgeleitet wurden. Die Spektren zeigen sehr starke Emissionslinien, für die mehr als etwa 10 Sonnenmassen Sauerstoff und 1 Sonnenmasse Magnesium nötig sind. Die Explosionen müssen daher von extrem massereichen Sternen ausgehen, mit über 40 Sonnenmassen auf der Hauptreihe. Sterne in diesem Massenbereich explodieren nicht durch den normalen Neutrino-getriebenen Mechanismus, sondern benötigen exotische Mechanismen wie einen durch magnetische Rotation angetriebenen Jet oder die Akkretion auf ein Schwarzes Loch.

Detaillierte multidimensionale Modelle, die den Zusammenbruch, die Explosion und den späten Energieeintrag des massereichen stellaren Kerns umfassen, werden derzeit von mehreren Gruppen auf der ganzen Welt entwickelt. Zusammen mit den neuen Einschränkungen, die diese Studie liefert, können wir erwarten, unser Wissen über die Sternentwicklung und Supernova-Explosionen in neue und unerforschte Bereiche zu vertiefen.

Diese Arbeit wurde gefördert durch die Marie Sklodowska Curie Förderung mit der Nummer 702538 im Rahmen des Rahmenprogramms für Forschung und Innovation 2020 der Europäischen Union sowie im Siebten Rahmenprogramm mit dem ERC-Grant Nr 291222.

 
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