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STERN/139: Sternentod unter überraschenden Umständen (MPA)


Max-Planck-Institut für Astrophysik - 19. Mai 2010

Sternentod unter überraschenden Umständen

Neue Ursache für Supernova-Explosionen gefunden


Supernovae, riesige Sternexplosionen, werden von Astronomen nicht nur als kosmische Zollstöcke verwendet, sie sind auch wichtige Produktionsstätten für die chemischen Elemente in unserem Universum. Bisher kannten die Astrophysiker zwei physikalische Prozesse, die zu diesen Energieausbrüchen führen: den Kernkollaps eines massereichen Sterns am Ende seiner Lebensdauer, und die thermonukleare Detonation eines alten Weißen Zwergsterns. Ein internationales Astronomenteam, dem auch Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Astrophysik angehören, hat nun eine dritte Art dieser Sternexplosionen identifiziert, die in einem alten Sternsystem mit viel Helium stattfinden. (Nature, 20. Mai 2010)

Je nachdem, welche chemischen Elemente im Licht einer Supernova nachgewiesen werden können, ordnen Astronomen diese Explosionen in verschiedene Typen, Ia, Ib, Ic oder II. Da die Lichtkurven der Typ Ia-Supernovae eindeutige Merkmale aufweisen und sehr einheitlich sind, nutzen Astronomen sie als "Standardkerzen" um die Entfernung zu deren jeweiligen Heimatgalaxien zu bestimmen. Diese Supernovae entstehen, wenn ein Weißer Zwergstern, der ausgebrannte Überrest eines normalen Sterns ähnlich unserer Sonne, die so genannte Chandrasekhar-Grenze erreicht, indem er Material von einem Begleitstern aufsammelt. Das nukleare Brennen im dichten Kern, der größtenteils aus Kohlenstoff und Sauerstoff besteht, zündet erneut und setzt enorme Mengen Energie frei, was dazu führt, dass der Stern als Supernova explodiert.

Der zweite Prozess, der zu einer Supernova-Explosion führt, ist der gravitative Kollaps des Kerns eines sehr massereichen, kurzlebigen Sterns am Ende seiner Lebensdauer. Die Astronomen glauben, dass diese Supernovae als Typ Ib/c oder Typ II beobachtet werden, die insbesondere in Umgebungen mit vielen jungen Sternen stattfinden. Durch die gewaltigen Energien, die bei diesen Explosionen freigesetzt werden, wird der überwiegende Teil der Sternmaterie abgestoßen, es bleibt ein Überrest, der nur einen Bruchteil der Ausgangsmasse des Sterns besitzt.

Im Januar 2005, leuchtete eine schwache Supernova (SN 2005E) im Halo der benachbarten Galaxie NGC 1032 auf, und ein internationales Astronomenteam sammelte Beobachtungsdaten von Teleskopen rund um den Erdball. Erstaunlicherweise passten die Messungen der chemischen Zusammensetzung und der Menge der herausgeschleuderten Sternmaterie zu keinem der beiden bekannten Explosionsmechanismen. In der Umgebung der Supernova deutet nichts auf kürzlich stattfindende Sternentstehung hin und auch die Masse der abgestoßenen Materie ist zu gering (nur etwa ein Drittel der Masse unserer Sonne) für die Explosion eines Riesensterns; d.h. diese Supernova kann nicht durch das Kernkollaps-Szenario erklärt werden. Die Alternative, ein explodierender, alter Weißer Zwergstern, der eine lange Zeit vom Ort seiner Entstehung bis in die Außenbereiche unterwegs war, passt aber auch nicht zu den Beobachtungen, da das Lichtspektrum auf eine andere chemische Zusammensetzung hinweist. Die bei der Supernova SN 2005E herausgeschleuderte Materie enthält einen größeren Anteil an Kalzium und Titan, als je bei einer Supernova beobachtet wurde. Diese Elemente entstehen in Kernreaktionen, die auf Helium basieren - nicht auf Kohlenstoff und Sauerstoff, woraus das Innere von Weißen Zwergen besteht.

Neue Computermodelle zeigen nun, dass die Supernova wahrscheinlich in einem System aus zwei sich eng umkreisenden Weißen Zwergen entstand, wobei die Heliumhülle des einen Sterns vom anderen angesaugt wird. "Sobald sich eine gewisse Menge angesammelt hat, beginnt das Helium auf dem Empfängerstern explosionsartig zu brennen", sagt Paolo Mazzali (Max-Planck-Insitut für Astrophysik), der die Berechnungen zusammen mit David Arnett (Universität von Arizona) durchführte. "Die einzigartigen Prozesse, die in diesen Explosionen gewisse chemische Elemente erzeugen, könnten einige der Rätsel in Bezug auf die Anreicherung mit chemischen Elementen in unserem Universum lösen. Zum Beispiel könnte dies die Hauptquelle von Titan sein."

Die Umgebung der Supernova SN 2005E. Bilder: SDSS, Lick Observatory Die Umgebung der Supernova SN 2005E. Bilder: SDSS, Lick Observatory

Abb.: Die Umgebung der Supernova SN 2005E. Das Bild links zeigt NGC 1032, die Heimatgalaxie der Supernova vor der Explosion. Die erste Beobachtung der Supernova SN 2005E ist im Bild rechts gezeigt. Der große Abstand der Supernova (angezeigt durch den Pfeil) von der Heimatgalaxie ist deutlich zu sehen; sie befindet sich etwa 750 000 Lichtjahre vom Zentrum der Galaxie entfernt.
Bilder: SDSS, Lick Observatory

Die Supernova SN 2005E ist wahrscheinlich nicht die einzige schwache Supernova, die durch diesen neuen Art von Explosionen erklärt werden kann. Mehrere ähnliche Supernovae wurden in elliptischen Galaxien gefunden und auch deren Lichtkurven, Umgebung und Materie-Auswurf werden am besten durch eine Helium-Detonation beschrieben.

"Als wie SN 2005 E beobachteten, wurde uns schnell klar, dass wir eine neue Art von Supernova sehen", sagt Hagai Perets (Weizmann Institut, jetzt am Center for Astrophysics, Universität Harvard), der die Beobachtungen leitete. "Da diese Supernovae relativ lichtschwach sind, können wir sie nur schwer nachweisen. Aber wenn sie in Wirklichkeit gar nicht so selten sind, dann könnten sie uns Antworten auf einige der fundamentalen Rätsel über die Erzeugung der chemischen Elemente im Universum liefern."

Außergewöhnliche Supernovae sind eine Spezialität dieses Astronomenteams. Vor wenigen Monaten berichteten sie über die erste bestätigte Beobachtung einer anderen, sehr auffälligen Supernova. Diese Art von Explosionen hinterlässt gar keinen Überrest. Je nach Masse beenden Sterne ihr Leben entweder als Weiße Zwerge, als Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Extrem massereiche Sterne allerdings können vollständig in der Supernova-Explosion am Ende ihrer Lebendauer zerstört werden. In diesen so-genannten Paar-Instabilitäts-Supernovae werden energiereiche Lichtteilchen in Elektron-Positron-Paare umgewandelt, die den gravitativen Kollaps nicht aufhalten können. Die gewaltige Kontraktion bewirkt eine Explosion des Kerns, die den gesamten Stern vollständig auseinander reißt. Die Astronomen identifizierten erstmals eine derartige Supernova, SN 2007bi, in einer benachbarten Zwerggalaxie und veröffentlichten ihre Ergebnisse im Dezember 2009 in der renommierten Zeitschrift Nature.


Originalveröffentlichungen
H.B. Perets, A. Gal-Yam, P. Mazzali et al., A new type of stellar explosion from a helium rich progenitor, Nature, 20 May 2010
A. Gal-Yam, P. Mazzali, E. O. Ofek, et al., Supernova 2007bi was a pair-instability supernova explosion, Nature, Vol. 462, p. 624-627, 3 December 2009

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Quelle:
Pressemitteilung vom 19. Mai 2010
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veröffentlicht im Schattenblick zum 20. Mai 2010