Mit Webb die Ursprünge des Krebsnebels erforschen

Der Krebs­ne­bel ist ein nahe­ge­le­ge­nes Bei­spiel für die Über­res­te, die ein Stern hin­ter­lässt, wenn er bei einer Super­no­va-Explo­si­on einen gewalt­sa­men Tod erlei­det. Trotz jahr­zehn­te­lan­ger For­schung ist die­ser Super­no­va-Über­rest jedoch immer noch ein Rät­sel: Wel­che Art von Stern war für die Ent­ste­hung des Krebs­ne­bels ver­ant­wort­lich und was war die Natur der Explo­si­on? Das James-Webb-Welt­raum­te­le­skop von NASA/ESA/CSA hat eine neue Ansicht des Krebs­ne­bels gelie­fert, ein­schließ­lich der bis­her hoch­wer­tigs­ten Infra­rot­da­ten, die Wis­sen­schaft­lern bei der Erfor­schung der detail­lier­ten Struk­tur und che­mi­schen Zusam­men­set­zung des Über­rests hel­fen. Die­se Hin­wei­se hel­fen dabei, die unge­wöhn­li­che Art und Wei­se zu ent­schlüs­seln, wie der Stern vor etwa 1000 Jah­ren explodierte.

Ein For­scher­team nutz­te das James-Webb-Welt­raum­te­le­skop der NASA/ESA/CSA, um die Zusam­men­set­zung des Krebs­ne­bels zu ana­ly­sie­ren, eines Super­no­va­über­rests, der sich 6.500 Licht­jah­re ent­fernt im Stern­bild Stier befin­det. Mit dem MIRI (Mid-Infrared Instru­ment) und der NIR­Cam (Near-Infrared Came­ra) des Tele­skops sam­mel­te das Team Daten, die dazu bei­tra­gen, die Geschich­te des Krebs­ne­bels aufzuklären.

Der Krebs­ne­bel ist das Ergeb­nis einer Kern­kol­laps-Super­no­va, die den Tod eines mas­se­rei­chen Sterns dar­stellt. Die Super­no­va-Explo­si­on selbst wur­de 1054 n. Chr. auf der Erde beob­ach­tet und war hell genug, um sie tags­über zu sehen. Der viel schwä­che­re Über­rest, der heu­te zu sehen ist, ist eine sich aus­deh­nen­de Hül­le aus Gas und Staub und ein aus­strö­men­der Wind, der von einem Pul­sar, einem schnell rotie­ren­den und stark magne­ti­sier­ten Neu­tro­nen­stern, ange­trie­ben wird.

Auch der Krebs­ne­bel ist höchst unge­wöhn­lich. Sei­ne aty­pi­sche Zusam­men­set­zung und die sehr gerin­ge Explo­si­ons­en­er­gie haben die Astro­no­men bis­her zu der Annah­me ver­an­lasst, dass es sich um eine Elek­tro­nen­ein­fang-Super­no­va han­delt – eine sel­te­ne Art von Explo­si­on, die aus einem Stern mit einem weni­ger ent­wi­ckel­ten Kern aus Sau­er­stoff, Neon und Magne­si­um ent­steht, anstatt aus einem typi­schen Eisenkern.

Frü­he­re For­schungs­ar­bei­ten haben die gesam­te kine­ti­sche Ener­gie der Explo­si­on anhand der Men­ge und Geschwin­dig­keit der heu­ti­gen Aus­wür­fe berech­net. Die Astro­no­men schlos­sen dar­aus, dass die Explo­si­on eine rela­tiv nied­ri­ge Ener­gie hat­te (weni­ger als ein Zehn­tel der Ener­gie einer nor­ma­len Super­no­va) und die Mas­se des Vor­läu­fer­sterns im Bereich von acht bis zehn Son­nen­mas­sen lag – also auf der schma­len Linie zwi­schen Ster­nen, die einen gewalt­sa­men Super­no­va-Tod erle­ben und sol­chen, bei denen dies nicht der Fall ist.

Es bestehen jedoch Unstim­mig­kei­ten zwi­schen der Theo­rie der Elek­tro­nen­ein­fang-Super­no­va und den Beob­ach­tun­gen des Zen­tral­sterns im Krebs­ne­bel, ins­be­son­de­re der beob­ach­te­ten schnel­len Bewe­gung des Pul­sars. In den letz­ten Jah­ren haben Astro­no­men auch ihr Ver­ständ­nis von Super­no­vae mit Eisen­kern­kol­laps ver­bes­sert und glau­ben nun, dass die­ser Typ auch Explo­sio­nen mit nied­ri­ger Ener­gie erzeu­gen kann, vor­aus­ge­setzt, die Stern­mas­se ist aus­rei­chend gering.

Um den Grad der Unsi­cher­heit hin­sicht­lich des Vor­gän­ger­sterns des Krebs­ne­bels und der Natur der Explo­si­on zu ver­rin­gern, nutz­te das Wis­sen­schafts­team die spek­tro­sko­pi­schen Fähig­kei­ten von Webb, um zwei Berei­che in den inne­ren Fila­men­ten des Krebs­ne­bels zu orten.

Theo­rien sagen vor­aus, dass auf­grund der unter­schied­li­chen che­mi­schen Zusam­men­set­zung des Kerns in einer Super­no­va mit Elek­tro­nen­ein­fang das Ver­hält­nis von Nickel zu Eisen (Ni/Fe) viel höher sein soll­te als das in unse­rer Son­ne gemes­se­ne Ver­hält­nis (die die­se Ele­men­te aus frü­he­ren Gene­ra­tio­nen von Ster­nen ent­hält). In Stu­di­en Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jah­re wur­de das Ni/­Fe-Ver­hält­nis im Krebs­ne­bel mit Hil­fe von opti­schen und Nahin­fra­rot-Daten gemes­sen und ein hohes Ni/­Fe-Häu­fig­keits­ver­hält­nis fest­ge­stellt, das für das Elek­tro­nen­ein­fang-Super­no­va-Sze­na­rio zu spre­chen schien.

Das Webb-Tele­skop mit sei­nen emp­find­li­chen Infra­rot­fä­hig­kei­ten treibt nun die For­schung im Krebs­ne­bel vor­an. Das Team nutz­te die spek­tro­sko­pi­schen Fähig­kei­ten von MIRI, um die Emis­si­ons­li­ni­en von Nickel und Eisen zu mes­sen, was zu einer zuver­läs­si­ge­ren Schät­zung des Ni/­Fe-Häu­fig­keits­ver­hält­nis­ses führ­te. Sie stell­ten fest, dass das Ver­hält­nis im Ver­gleich zur Son­ne immer noch erhöht war, aber nur gering­fü­gig und im Ver­gleich zu frü­he­ren Schät­zun­gen viel niedriger.

Die über­ar­bei­te­ten Wer­te stim­men mit Elek­tro­nen­ein­fang über­ein, schlie­ßen aber eine Explo­si­on mit Eisen­kern­kol­laps von einem ähn­lich mas­se­ar­men Stern nicht aus. Es wird erwar­tet, dass Explo­sio­nen mit höhe­rer Ener­gie von Ster­nen mit höhe­rer Mas­se Ni/­Fe-Ver­hält­nis­se erzeu­gen, die näher an den sola­ren Häu­fig­kei­ten lie­gen. Um zwi­schen die­sen bei­den Mög­lich­kei­ten zu unter­schei­den, sind wei­te­re Beob­ach­tun­gen und theo­re­ti­sche Arbei­ten erforderlich.

Außer der Erfas­sung spek­tra­ler Daten aus zwei klei­nen Berei­chen im Inne­ren des Krebs­ne­bels zur Mes­sung des Häu­fig­keits­ver­hält­nis­ses beob­ach­te­te das Tele­skop auch die wei­te­re Umge­bung des Über­rests, um Details der Syn­chro­tro­ne­mis­si­on und der Staub­ver­tei­lung zu verstehen.

Die von MIRI gesam­mel­ten Bil­der und Daten ermög­lich­ten es dem Team, die Staub­emis­si­on inner­halb des Kreb­ses zu iso­lie­ren und zum ers­ten Mal in hoher Auf­lö­sung zu kar­tie­ren. Durch die Kar­tie­rung der war­men Staub­emis­si­on mit Webb und die Kom­bi­na­ti­on mit den Daten des Her­schel-Welt­raum­ob­ser­va­to­ri­ums über küh­le­re Staub­kör­ner konn­te das Team ein abge­run­de­tes Bild der Staub­ver­tei­lung erstel­len: Die äußers­ten Fila­men­te ent­hal­ten rela­tiv war­men Staub, wäh­rend in der Nähe des Zen­trums küh­le­re Kör­ner vorherrschen.

Die­se Ergeb­nis­se wur­den zur Ver­öf­fent­li­chung in The Astro­phy­si­cal Jour­nal Let­ters angenommen.

Die Beob­ach­tun­gen wur­den im Rah­men des Webb Gene­ral Obser­ver-Pro­gramms 1714 durchgeführt.

ESA/Hubble/Webb Infor­ma­ti­on Centre

Hintergrundinformationen

Webb ist das größ­te und leis­tungs­stärks­te Tele­skop, das jemals in den Welt­raum gebracht wur­de. Im Rah­men einer inter­na­tio­na­len Koope­ra­ti­ons­ver­ein­ba­rung stell­te die ESA den Start­dienst des Tele­skops mit der Trä­ger­ra­ke­te Aria­ne 5 bereit. In Zusam­men­ar­beit mit Part­nern war die ESA für die Ent­wick­lung und Qua­li­fi­ka­ti­on der Aria­ne-5-Adap­tio­nen für die Webb-Mis­si­on und für die Beschaf­fung des Start­diens­tes durch Aria­nespace ver­ant­wort­lich. Die ESA stell­te außer­dem den Arbeits­spek­tro­gra­phen NIR­Spec und 50% des Mit­tel­in­fra­rot­in­stru­ments MIRI zur Ver­fü­gung, das von einem Kon­sor­ti­um natio­nal finan­zier­ter euro­päi­scher Insti­tu­te (dem MIRI Euro­pean Con­sor­ti­um) in Zusam­men­ar­beit mit JPL und der Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na ent­wor­fen und gebaut wurde.

Webb ist eine inter­na­tio­na­le Part­ner­schaft zwi­schen NASA, ESA und der Cana­di­an Space Agen­cy (CSA).

Links

• Wis­sen­schaft­li­ches Paper
• Ver­öf­fent­li­chung auf der STScI-Website
• Ver­öf­fent­li­chung auf der NASA-Website

Link zur Pres­se­mit­tei­lung: ESA/Hubble/Webb weic2417