ALMA entdeckt Hinweise auf einen Neutronenstern in Supernova 1987A

30. Juli 2020

Zwei Astronomenteams sind einem 33 Jahre alten Rätsel um die Supernova 1987A mit überzeugenden Argumenten auf der Spur. Basierend auf Beobachtungen mit ALMA und einer theoretischen Folgestudie liefern die Wissenschaftler neue Erkenntnisse dafür, dass sich ein Neutronenstern tief in den Überresten des explodierten Sterns verbirgt. Dies wäre der jüngste bisher bekannte Neutronenstern in unserer kosmischen Nachbarschaft.

Seitdem Astronomen Zeugen der Supernova 1987A (SN 1987A) am Nachthimmel wurden, einer der hellsten jemals beobachteten Explosionen eines Sterns, sind sie auf der Suche nach dem kompakten Objekt, das sich in den Überresten der Explosion gebildet haben sollte. Da am Tag, als die Explosion erstmals gesichtet wurde (23. Februar 1987), auf der Erde auch sogenannte Neutrino-Teilchen gemessen wurden, erwarteten die Astronomen, dass sich im kollabierten Zentrum des Sterns ein Neutronenstern gebildet hatte. Als die Wissenschaftler jedoch keine Beweise für dieses Objekt finden konnten, kam die Frage auf, ob stattdessen ein Schwarzes Loch entstanden ist. Jahrzehntelang haben die Wissenschaftler begierig auf ein Signal von der exotischen Sternleiche gewartet, die sich hinter einer sehr dichten Staubwolke versteckt.

Extrem hochauflösende ALMA-Bilder zeigen einen heißen "Klecks" im staubigen Kern der Supernova 1987A (Ausschnitt), der der Ort des vermissten Neutronensterns sein könnte. Die rote Farbe zeigt Staub und kaltes Gas im Zentrum des Supernova-Überrests, aufgenommen bei Radiowellenlängen mit ALMA. Die grünen und blauen Farbtöne verraten, wo die sich ausdehnende Stoßwelle des explodierten Sterns mit Material rund um die Supernova kollidiert. Das Grün steht für sichtbares Licht, das vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA aufgenommen wurde. Die blaue Farbe zeigt das heiße Gas und basiert auf Daten des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA. Der Ring wurde ursprünglich durch den Lichtblitz der Explosion zum Leuchten gebracht. In den folgenden Jahren wurde das Ringmaterial erheblich heller durch die Stoßwelle der Explosion, die auf den Ring getroffen war.

Kürzlich lieferten Beobachtungen des Radioteleskops ALMA den ersten Hinweis auf den fehlenden Neutronenstern. Extrem hochauflösende Bilder zeigen einen heißen „Klecks“ im staubigen Kern von SN 1987A, der heller als seine Umgebung ist und sich an dem vermuteten Ort des Neutronensterns befindet.

„Wir waren sehr überrascht, diesen warmen "Klecks" zu sehen, der aus einer dicken Staubwolke im Supernova-Überrest entstanden ist“, sagte Mikako Matsuura von der Universität Cardiff und ein Mitglied des Teams, das die ALMA-Daten analysierte. „Es muss etwas in der Wolke geben, das den Staub aufheizt und ihn zum Leuchten bringt. Deshalb schlugen wir vor, dass sich in der Staubwolke ein Neutronenstern verbirgt.“

Obwohl Matsuura und ihr Team von diesem Ergebnis begeistert waren, wunderten sie sich über die Helligkeit des Kleckses. „Wir dachten, dass die Helligkeit zu hoch für einen Neutronenstern sein könnte, aber dann veröffentlichten Dany Page und sein Team eine Studie, die darauf hinwies, dass der Neutronenstern tatsächlich so hell sein kann, weil er so sehr jung und noch sehr heiß ist“, führte Matsuura weiter aus.

Dany Page ist Astrophysiker an der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko, der sich von Anfang an mit SN 1987A beschäftigt hat. Die theoretische Studie von Page und seinem Team, die heute im The Astrophysical Journal veröffentlicht wurde, unterstützt nachdrücklich den Vorschlag des ALMA-Teams, dass ein Neutronenstern das dichte Staubwölkchen zum Leuchten bringt. „Trotz der enormen Komplexität einer Supernova-Explosion und der extremen Bedingungen, die im Inneren eines Neutronensterns herrschen, ist der Nachweis eines warmen Staubwölkchens eine Bestätigung mehrerer Vorhersagen“, erklärte Page.

Diese künstlerische Darstellung der Supernova 1987A zeigt die staubigen inneren Regionen der Überreste des explodierten Sterns (rot), in denen sich ein Neutronenstern verstecken könnte. Dieser innere Bereich kontrastiert mit der äußeren Hülle (blau), wo die Energie der Supernova mit dem umgebenden Gas kollidiert (grün), das vom Stern vor seiner Explosion ausgestoßen wurde.

Diese Vorhersagen betreffen den Ort und die Temperatur des Neutronensterns. Laut Computermodellen von Supernovae hat die Explosion den Neutronenstern mit einer Geschwindigkeit von mehreren Hundert Kilometern pro Sekunde (zehnmal schneller als die schnellste Rakete) von seinem Geburtsort „weggeschleudert“. Der Klecks befindet sich genau an der Stelle, an der der Neutronenstern nach Ansicht der Astronomen heute sein müsste. Und die Temperatur des Neutronensterns, die auf etwa 5 Millionen Grad Celsius vorhergesagt wurde, liefert genügend Energie, um die Helligkeit des Kleckses zu erklären.

„Wir erwarten, dass ein Großteil des Eisens, das bei der Explosion von SN 1987A entstanden ist, entgegengesetzt zur Neutronensternbewegung ausgeschleudert wurde“, erklärt Teammitglied Hans-Thomas Janka vom Max-Planck-Institut für Astrophysik. „Durch den Vergleich der beobachteten Eisenverteilung mit 3D-Computermodellen haben wir vorausgesagt, dass der Neutronenstern nördlich des Explosionszentrums liegen sollte, in Übereinstimmung mit dem Ort, an dem das heiße Wölkchen nun entdeckt wurde.“

Ein solcher Neutronenstern ist ein 25 km großer, extrem heißer Ball aus ultra-dichter Materie. Ein Teelöffel seiner Materie wiegt mehr als alle Gebäude von New York City zusammen. Da er nur 33 Jahre alt ist, wäre er der jüngste Neutronenstern, der je in unserer Milchstraßengalaxie und ihrer nahen kosmischen Nachbarschaft gefunden wurde. Der zweitjüngste Neutronenstern, den wir kennen, befindet sich im Supernova-Überrest Cassiopeia A in einer Entfernung von 11.000 Lichtjahren und ist rund 330 Jahre alt. Der Neutronenstern in SN 1987A ist 15-mal weiter entfernt in der Großen Magellanschen Wolke, einer kleinen Zwerggalaxie nahe der Milchstraße.

Nur ein direktes Bild des Neutronensterns würde einen endgültigen Beweis für seine Existenz liefern. Aber dafür müssen die Astronomen möglicherweise noch einige Jahrzehnte warten, bis der Staub und das Gas im Supernova-Überrest durchsichtiger geworden sind.

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