Supernova: Doppelte Detonation eines Sterns

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Zum ersten Mal haben Astronominnen und Astronomen den sichtbaren Beweis erbringen können, dass ein Stern sein Ende durch zwei Explosionen gefunden hat. Bei der Untersuchung der jahrhundertealten Überreste der Supernova SNR 0509–67.5 in der Großen Magellanschen Wolke mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) haben sie Muster entdeckt, die bestätigen, dass der Stern zwei explosive Stöße erlitten hat. Die heute veröffentlichte Entdeckung wirft ein neues Licht auf einige der bedeutendsten Explosionen im Universum.

Die meisten Supernovae sind der explosive Tod massereicher Sterne, aber eine wichtige Variante hat einen unscheinbaren Ursprung: Weiße Zwerge, die kleinen, inaktiven Kernbereiche, die übrig bleiben, wenn Sterne wie unsere Sonne ihren Kernbrennstoff verbrannt haben, können das erzeugen, was Astronomen als Supernova vom Typ Ia bezeichnen.

Supernova SNR 0509-67.5 — Dieses Bild des Very Large Telescope (VLT) der ESO zeigt den Supernova-Überrest SNR 0509–67.5 in der Großen Magellanschen Wolke. Es handelt sich um die sich ausdehnenden Überreste eines Sterns, der vor 400 Jahren in einer Doppeldetonation explodierte. – Credit: ESO, Luis Calçada, Angelos Tsaousis, Martin Kornmesser, P. Das et al.

„Die Explosionen von Weißen Zwergen spielen eine entscheidende Rolle in der Astronomie“, erläutert Priyam Das, Doktorand an der University of New South Wales Canberra in Australien, der die heute in Nature Astronomy veröffentlichte Studie zu SNR 0509–67.5 leitete. Ein Großteil unseres Wissens über die Expansion des Universums beruht auf Supernovae vom Typ Ia, die auch die Hauptquelle für das Eisen auf unserem Planeten sind, einschließlich des Eisens in unserem Blut. „Doch trotz ihrer Bedeutung ist das seit langem bestehende Rätsel um den genauen Mechanismus, der eine solche Explosion auslöst, noch immer ungelöst“, fügt er hinzu.

Alle Modelle, die Supernovae vom Typ Ia erklären, gehen von einem Weißen Zwerg in einem Doppelsternsystem aus. Wenn die Umlaufbahn um den anderen Stern eng genug ist, kann er ihm Materie entziehen. Nach der etabliertesten Theorie zu Supernovae vom Typ Ia sammelt der Weiße Zwerg Materie von seinem Begleiter, bis er eine kritische Masse erreicht, bei der er eine einzige Explosion durchläuft. Jüngste Studien deuten jedoch darauf hin, dass zumindest einige Supernovae vom Typ Ia besser durch eine doppelte Explosion erklärt werden könnten, die ausgelöst wird, bevor der Stern diese kritische Masse erreicht.

Nun haben Astronominnen und Astronomen ein neues Bild aufgenommen, das ihre Vermutung bestätigt: Zumindest einige Supernovae vom Typ Ia explodieren stattdessen durch einen „Doppeldetonationmechanismus“. In diesem alternativen Modell bildet der Weiße Zwerg eine Hülle aus gestohlenem Helium um sich herum, die instabil werden und sich entzünden kann. Diese erste Explosion erzeugt eine Stoßwelle, die sich um den Weißen Zwerg herum und nach innen ausbreitet und eine zweite Detonation im Kern des Sterns auslöst – wodurch schließlich die Supernova entsteht.

Bislang gab es keine eindeutigen sichtbaren Beweise für eine doppelte Detonation eines Weißen Zwergs. Kürzlich hatten Astronomen allerdings prognostiziert, dass dieser Prozess ein charakteristisches Muster oder einen Fingerabdruck in den noch glühenden Überresten der Supernova hinterlassen sollte, der noch lange nach der ersten Explosion sichtbar wäre. Studien deuten darauf hin, dass die Überreste einer solchen Supernova zwei separate Kalziumschalen enthalten würden.

Die Forschenden haben diesen Fingerabdruck nun in den Überresten einer Supernova gefunden. Ivo Seitenzahl, der die Beobachtungen leitete und zum Zeitpunkt der Studie am Heidelberger Institut für Theoretische Studien tätig war, erläutert, die Ergebnisse seien „ein klarer Hinweis darauf, dass Weiße Zwerge weit vor Erreichen der berühmten Chandrasekhar-Massengrenze explodieren können und dass der Mechanismus der ‚Doppeldetonation‘ tatsächlich in der Natur vorkommt“. Das Team konnte diese Kalziumschichten (in der Abbildung blau dargestellt) in den Überresten der Supernova SNR 0509–67.5 nachweisen, die sie mit dem Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) am VLT der ESO beobachtete. Dies liefert starke Hinweise darauf, dass eine Supernova vom Typ Ia auftreten kann, bevor ihr Weißer Zwerg eine kritische Masse erreicht.

Supernovae vom Typ Ia sind für unser Verständnis des Universums von entscheidender Bedeutung. Sie verhalten sich sehr konsistent, und ihre vorhersagbare Helligkeit – unabhängig davon, wie weit sie entfernt sind – hilft Astronominnen und Astronomen, Entfernungen im Weltraum zu messen. Mit ihnen als kosmisches Maßband entdeckten die Forscher die beschleunigte Expansion des Universums, eine Entdeckung, die 2011 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Die Untersuchung ihrer Explosionsmechanismen hilft uns zu verstehen, warum sie eine so vorhersagbare Helligkeit haben.

Es gibt aber noch einen weiteren Grund, diese Explosionen zu untersuchen: „Dieser konkrete Beweis für eine doppelte Detonation trägt nicht nur zur Lösung eines langjährigen Rätsels bei, sondern bietet auch ein visuelles Spektakel“, sagt Das und beschreibt die „wunderschön geschichtete Struktur“, die eine Supernova erzeugt. Für ihn ist es „unglaublich erhellend, die inneren Vorgänge einer so spektakulären kosmischen Explosion aufzudecken“.

Hintergrundinformationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse erscheinen demnächst unter dem Titel “Calcium in a supernova remnant shows the fingerprint of a sub-Chandrasekhar mass explosion”in der Fachzeitschrift Nature Astronomy.