Neue Erkenntnisse über die hellsten Explosionen im Universum

24. Januar 2020

Für einige bislang nicht identifizierte Linien im Spektrum einer der hellsten jemals beobachteten Sternexplosionen, der Supernova SN 2006gy, haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik nun eine Erklärung gefunden. Die Spektrallinien stammen von neutralem Eisen, was für eine derart energiereiche Sternexplosion sehr ungewöhnlich ist und bedeutet, dass mehr als ein Drittel der Masse unserer Sonne von diesem schweren Element entstanden sein muss. Die Dominanz von Eisen im Spektrum erlaubt es, etliche der bislang favorisierten Explosionsszenarien für SN 2006gy auszuschließen, und leistet stattdessen einem komplett neuen Szenario Vorschub.

“Superhelle Supernovae” sind die leuchtkräftigsten Explosionen im Universum. Im Zeitraum von lediglich ein paar Monaten strahlen sie genauso viel Energie ab, wie unsere Sonne über ihre gesamte Lebensdauer. Sie erreichen eine maximale Leuchtkraft, die eine ganze Galaxie in den Schatten stellt. Die Quelle dieser gewaltigen Energiemenge und die Art des Vorläufersterns, der hier explodiert, sind aber noch immer unbekannt.

Diese Aufnahme der Supernova SN 2006gy in der Galaxie NGC 1260 ist ungefähr 6 Jahre nach den ersten Beobachtungen der Explosion entstanden. Die Supernova strahlt nach wie vor hell im Außenbereich von NGC 1260.

Eines der am gründlichsten untersuchten Objekte dieser Art ist SN 2006gy, welche 2006 erstmals beobachtet wurde. Die Daten lieferten Hinweise auf eine intensive Wechselwirkung zwischen der Supernova und dem sie umgebenden Material, welches zuvor von dem Vorläuferstern ausgestoßen worden war. Zahlreiche Theorien wurden entwickelt, um SN 2006gy zu erklären, darunter die Kollision mehrerer Schalen, die nacheinander von einem äußerst massereichen Stern ausgestoßen wurden, eine sehr große Menge an neu entstandenen radioaktiven Elementen, oder auch eine sogenannte Kernkollaps-Supernova, die mit dem Sternwind ihres Vorläufersterns wechselwirkt. Unter dem Begriff Kernkollaps-Supernova versteht man dabei eine Explosion, die mit dem Kollaps des kompakten Kerns eines massereichen Sterns zu einem Neutronenstern einhergeht.

Im Jahr 2009 veröffentlichte ein Team japanischer Wissenschaftler ein Spektrum von SN 2006gy (also eine Aufspaltung des Lichts in die Regenbogenfarben), welches ein Jahr nach der Explosion aufgenommen worden war. Dieses Spektrum zeigte ungewöhnliche Emissionslinien, die so noch nie zuvor in einer Supernova beobachtet worden waren, und die man nicht zuordnen konnte. Die Herkunft dieser Linien und was sie über die Explosion aussagen können, blieb für über ein Jahrzehnt ein Rätsel.

Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) ist es nun in Zusammenarbeit mit dem japanischen Team gelungen, die Linien als Linien von neutralem Eisen zu identifizieren. “Dieser niederenergetische Zustand von Eisen wird in Supernovae typischerweise nicht beobachtet, weil durch die hohen Energien zumeist ein oder mehrere Elektronen aus den Atomen herausgelöst werden”, erklärt Anders Jerkstrand vom MPA, der Erstautor der neuen Studie. Außerdem würden Supernovae normalerweise zu schnell expandieren, als dass einzelne Eisenlinien deutlich zu erkennen seien. “Dieser spezielle Satz an Linien wurde noch nie in einem astrophysikalischen Nebel nachgewiesen”, fügt Jerkstrand hinzu. “SN 2006gy muss deshalb einige wirklich ungewöhnliche physikalische Eigenschaften aufweisen.”

Bislang nicht identifizierte Linien im Spektrum der Supernova SN 2006gy konnten jetzt auf neutrales Eisen zurückgeführt werden. Die rote Linie stellt das beobachtete Spektrum dar, die schwarze Kurve das theoretische Eisenspektrum.

Die Tatsache, dass das Spektrum hauptsächlich aus Eisenlinien besteht, schließt etliche zuvor propagierte Szenarien aus, die kein Eisen vorhersagen. Aber mehr noch, die Wissenschaftler konnten ermitteln, dass die Masse an Eisen mindestens ein Drittel der Masse unserer Sonne beträgt, was überraschenderweise in Richtung einer Typ Ia Supernova deutet. Dieser Supernovatyp tritt auf, wenn ein Weißer Zwerg, der Überrest eines massearmen Sterns, Materie akkretiert und explodiert.

Die Wissenschaftler schlagen nun vor, dass der Vorläufer in diesem Fall ein Doppelsternsystem ist, in dem ein Weißer Zwerg einen schwereren, wasserstoffreichen Begleiter auf einer engen Umlaufbahn umkreist. Wenn der wasserstoffreiche Stern anfängt sich aufzublähen - derartige Riesensterne können die Größe der Erdumlaufbahn oder mehr erreichen - taucht der Weiße Zwerg in die Atmosphäre des Riesensterns ein, und bewegt sich auf einer Spiralbahn allmählich zu dessen Zentrum. Bei diesem Vorgang wird die Hülle des Riesensterns abgestoßen. Wenn der Weiße Zwerg den Kern des Riesensterns erreicht, explodiert er. Die sich ausbreitende Schockwelle dieser Typ Ia Supernova kollidiert dann mit der zuvor abgestoßenen Hülle, und in der gewaltigen Kollision wird extrem intensives Licht abgestrahlt. Durch die Modellierung dieses Lichts konnten die Wissenschaftler demonstrieren, dass das vorgeschlagene Szenario die entscheidenden Eigenschaften von SN 2006gy reproduziert - insbesondere auch die Spektrallinien von neutralem Eisen.

“Die Ergebnisse sind in mehrerlei Hinsicht richtungsweisend”, sagt Co-Autor Keiichi Maeda von der Universität von Kyoto. “Eine Typ Ia Supernova als Ursprung von SN 2006gy stellt das, was die meisten Wissenschaftler bislang angenommen haben, komplett auf den Kopf, nämlich dass diese Explosion auf einen sehr massereichen Stern zurückzuführen ist.” In der heutigen Zeit, wo es ungewöhnlich ist, noch Absorptions- oder Emissionslinien zu finden, die nicht schon längst bekannt sind, ermöglichen die neu identifizierten Eisenlinien neue diagnostische Methoden in der Astrophysik. Jerkstrand erklärt: “Dass sich ein Weißer Zwerg in einer engen Umlaufbahn um einen wasserstoffreichen Begleiter befinden kann, und dann rasch explodiert nachdem er in dessen Zentrum gestürzt ist, liefert wichtige neue Erkenntnisse über komplexe hydrodynamische Vorgänge in kompakten Sternexplosionen und über die Theorie der Entwicklung von Doppelsternsystemen.”

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