Highlight: Oktober 2017

Typ Ia Supernova Modelle kurz nach der Explosion

1. Oktober 2017

Typ Ia Supernovae (SNe Ia) sind spektakuläre Explosionen weißer Zwergsterne und spielen eine wesentliche Rolle in der Astrophysik – sowohl allgemein als auch insbesondere in der Kosmologie. Dennoch sind in Bezug auf die Natur und die physikalischen Mechanismen in SNe Ia noch viele Fragen offen. Automatisierte Himmelsdurchmusterungen werden im Laufe der nächsten Jahre eine beispiellose Zahl an Supernovae des Typs Ia liefern, die kurz nach der Explosion entdeckt werden. Forscher am MPA untersuchten nun, ob unterschiedliche Explosionsmodelle in solch frühen Beobachtungen eindeutige Spuren hinterlassen. Diese könnten dann in zukünftigen Beobachtungsprogrammen genutzt werden, um Licht auf die Vorläufer und den Explosionsmechanismus von SNe Ia zu werfen.
Ein Beispiel wie immens hell eine Supernova werden kann: SN 1994D überstrahlt die Heimatgalaxie NGC 4526. Die Supernova ist das helle Objekt in der linken unteren Ecke. Bild vergrößern
Ein Beispiel wie immens hell eine Supernova werden kann: SN 1994D überstrahlt die Heimatgalaxie NGC 4526. Die Supernova ist das helle Objekt in der linken unteren Ecke. [weniger]

Wahrscheinlich lesen Sie diesen Artikel auf einem Gerät, das mit einem Siliziumchip funktioniert, wie z. B. einem PC, Laptop oder Mobiltelefon. Zusammen mit einer Reihe anderer chemischer Elemente wie Eisen wurde ein signifikanter Anteil des Siliziums in unserem Universum unter extremen Bedingungen aus leichteren Elementen geschmiedet, und zwar während der kataklysmischen Ereignisse, die als "Typ Ia Supernovae" (SNe Ia) bekannt sind. Diese enormen Explosionen markieren den fulminanten Tod eines Sterns mit geringer Masse. Im Laufe ihrer Entwicklung kann eine SNe Ia unglaublich hell werden – so hell, dass sie sogar ihre Heimatgalaxie in den Schatten stellt (siehe z. B. SN 1994D in Abbildung 1).

Dies ist eine der Eigenschaften, die SNe Ia ideal für kosmologische Studien machen. So werden sie häufig als Entfernungsindikatoren verwendet, die die jüngste Expansionsgeschichte des Universums nachzeichnen. SNe Ia waren insbesondere bei der Entwicklung unseres aktuellen kosmologischen Weltbildes von entscheidender Bedeutung: Das kosmologische Standardmodell beinhaltet eine Komponente, die dunkle Energie, die für die beschleunigte Expansion verantwortlich ist. Diese Entdeckung wurde 2011 durch das Nobelpreiskomitee ausgezeichnet. Trotz ihrer astrophysikalischen und kosmologischen Bedeutung tappen die Astrophysiker jedoch immer noch im Dunkeln, was SNe Ia selbst betrifft.

Es herrscht allgemein Einigkeit darüber, dass eine Typ Ia Supernova eine thermonukleare Explosion in einem Weißen Zwerg aus Kohlenstoff und Sauerstoff ist, der Teil eines Doppelsternsystems war. Weiße Zwerge sind kompakte Objekte, die durch den Druck entarteter Elektronen stabilisiert werden. Sie sind der evolutionäre Endzustand von Sternen mit geringer Masse, nachdem ihr Brennstoff im Kern aufgebraucht ist. Heftige Diskussionen gibt es über die Art des Begleiters, ob es sich um einen sonnenähnlichen oder Riesenstern oder einen zweiten Weißen Zwerg handelt.

Darüber hinaus wird derzeit noch im Detail untersucht, wie die thermonukleare Explosion ausgelöst wird und wie sie verläuft. Unklar ist insbesondere, ob die Brennfront als Detonation mit Überschallgeschwindigkeit, als subsonische, turbulente Deflagration oder als eine Mischung beider Modi realisiert ist, bei der die Verbrennung mit Unterschall-Geschwindigkeit beginnt und dann in eine Detonation übergeht (verzögertes Explosionsmodell).

In diesem Zusammenhang ist außerdem unklar, bei welcher Masse der Weiße Zwerg explodiert: an der theoretischen Massengrenze für Systeme die durch Elektronenentartungsdruck stabilisiert sind (etwa das 1,4-fache der Masse unserer Sonne), oder bereits bei geringeren Massen. Diese Grenze wird als "Chandrasekhar-Masse" bezeichnet; folglich unterscheidet man Chandrasekhar- und Sub-Chandrasekhar-Massen-Modelle. Im letzteren Fall kann die Explosion z. B. durch eine Verschmelzung mit einem anderen Weißen Zwerg ausgelöst werden.

Schließlich muss noch geklärt werden, ob ein Szenario allein und ausschließlich für SNe Ia verantwortlich ist oder ob eine Mischung der verschiedenen Explosions- und Vorläufermöglichkeiten in der Natur realisiert ist.

<p style="margin-bottom: 0cm;" lang="de-DE">Vergleich der synthetischen Lichtkurven für die verschiedenen Modelle in den Wellenlängenbändern Bessell U (oben links), B (oben rechts), V (unten links) und R (unten rechts) in den ersten 10 Tagen nach der Explosion. Der vergrößerte Bildausschnitt zeigt die gleichen Kurven auf einer logarithmischen Zeitskala. Dies macht deutlich, dass die Kurven keinem Potenzgesetz folgen (was eine gerade Linie wäre).</p> Bild vergrößern

Vergleich der synthetischen Lichtkurven für die verschiedenen Modelle in den Wellenlängenbändern Bessell U (oben links), B (oben rechts), V (unten links) und R (unten rechts) in den ersten 10 Tagen nach der Explosion. Der vergrößerte Bildausschnitt zeigt die gleichen Kurven auf einer logarithmischen Zeitskala. Dies macht deutlich, dass die Kurven keinem Potenzgesetz folgen (was eine gerade Linie wäre).

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Die MPA-Forscher führten eine theoretische Studie durch und entwickelten Vorhersagen für das frühe optische Erscheinungsbild einer Reihe von Explosionsmodellen für Standard-SNe Ia. Sie konzentrierten sich speziell auf die Identifizierung eindeutiger Merkmale in der frühen Lichtkurve, d.h. der zeitlichen Entwicklung der Emission in einem bestimmten Wellenlängenbereich. Eine solche Signatur würde es ermöglichen, spezifische Explosionsszenarien eindeutig aus frühen photometrischen Beobachtungen zu identifizieren.

Die Gründe für das Interesse an der Beobachtung von frühen Supernovae sind zweierlei: Zum einen stammen die derzeit genauesten Informationen über die Natur der SN Ia-Vorläufer von den frühesten Datenpunkten kurz nach der Explosion. Zum anderen wird sich durch neue und verbesserte Himmelsdurchmusterungen mit hoher Wiederholungsrate die Zahl der SNe Ia, die kurz nach der Explosion entdeckt werden, drastisch erhöhen.

Für den Hauptteil der Studie wählten die Wissenschaftler zwei Chandrasekhar-Massen-Explosionsmodelle aus, nämlich das bekannte Kohlenstoff-Deflagrationsmodell W7 und das verzögerte Detonationsmodell N100. Darüber hinaus konzentrierten sie sich auf drei Sub-Chandrasekhar-Modelle, insbesondere auf die Verschmelzung zweier Weißer Zwerge, eine Doppelzündung in einem Kohlenstoff-Sauerstoff-Weißen Zwerg mit einer Heliumhülle und eine reine Detonation im Kern eines Weißen Zwergs. Mit dem Strahlungs-Hydrodynamik-Code Stella verfolgten sie in all diesen Modellen die Entwicklung des bei der Supernova ausgeworfenen Materials und berechneten Lichtkurven in verschiedenen Wellenlängenbändern (siehe Abbildung 2).

Während sich die Lichtkurven der verschiedenen Modelle in den meisten Szenarien ähnlich entwickeln, zeigt das Modell der doppelten Detonation einen steilen Anstieg und eine ausgeprägte "Schulter" aufgrund von radioaktivem Material nahe der Oberfläche. Dieses Material wurde bei der ersten Explosion in der Heliumschale synthetisiert. Leider ist diese Signatur sehr ähnlich zu jenen Spuren, die die Wechselwirkung des ausgeworfenen Materials mit umgebendem Gas oder einem Begleitstern hinterlassen kann. Derartige Interaktionen wurden bereits von anderen Gruppen untersucht, und machen es schwierig, eine klare Verbindung zwischen einem solchen Merkmal in der frühen Lichtkurve und den physikalischen Eigenschaften des Explosionsszenarios herzustellen.

Bei der Untersuchung der frühen Lichtkurven stellten die Forscher außerdem fest, dass keines der Standardmodelle einem Potenzgesetz folgt. Ein solches Verhalten, nämlich dass die emittierte Leuchtkraft proportional zu einer Potenz der Zeit seit der Explosion ansteigt, wird jedoch bei der Rekonstruktion des Explosionsdatums aus Beobachtungsdaten häufig angenommen. Die Wissenschaftler zeigen, dass dies zu Fehlern von mehreren Tagen bei der Bestimmung des Explosionszeitpunktes führen kann, ohne die Güte des Fits zu beeinträchtigen. Dies hat möglicherweise schwerwiegende Folgen für die Abschätzung der Größe und Art des explodierenden Objekts aus frühen Daten, die eine genaue Bestimmung des Explosionszeitpunkts erfordert.

Zusammenfassend zeigten die Forscher, dass es sehr schwierig ist, spezifische Explosionsszenarien auf der Basis von frühen photometrischen Daten zu identifizieren. Die zusätzliche Verfügbarkeit frühzeitiger spektroskopischer Informationen kann dazu beitragen, einen Teil der Entartung aufzuheben. Im Gegensatz zu typischen Annahmen prognostizieren sie für alle untersuchten Explosionsmodelle einen frühen Anstieg, der keinem Potenzgesetz folgt. Dies kann zu ernsthaften Schwierigkeiten bei der Datierung der Explosion führen und Schlüsse über die Art des explodierenden Objekts erschweren.