Erstmals haben Forscher eine Röntgenexplosion an einem Weißen Zwerg beobachtet

Wenn Sterne wie unsere Sonne ihren gesamten Brennstoff aufbrauchen, schrumpfen sie zu Weißen Zwergen. Manchmal erwachen solche toten Sterne in einer superheißen Explosion wieder zum Leben und erzeugen einen Feuerball aus Röntgenstrahlung. Einem Forscherteam mehrerer deutscher Institute, darunter der Universität Tübingen, unter Leitung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ist es nun erstmals gelungen, eine solche Explosion von Röntgenlicht zu beobachten.

„Das war zum Teil ein glücklicher Zufall“, erklärt Ole König vom Astronomischen Institut der FAU in der Dr.-Karl-Remeis-Sternwarte in Bamberg, der einen Artikel über diese Beobachtung in der Fachzeitschrift veröffentlicht hat Natur, zusammen mit Prof. Dr. Jörn Wilms und einem Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, der Universität Tübingen, der Universitat Politécnica de Catalunya in Barcelona und dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam. „Diese Röntgenblitze dauern nur wenige Stunden und sind kaum vorhersagbar, aber das Beobachtungsinstrument muss genau zum richtigen Zeitpunkt direkt auf die Explosion gerichtet werden“, erklärt der Astrophysiker.

Das Instrument in diesem Fall ist das Röntgenteleskop eROSITA, das derzeit anderthalb Millionen Kilometer von der Erde entfernt steht und seit 2019 den Himmel nach weicher Röntgenstrahlung durchsucht. Am 7. Juli 2020 hat es starke Röntgenstrahlen gemessen. Strahlung in einem Bereich des Himmels, der vier Stunden zuvor völlig unauffällig gewesen war. Als das Röntgenteleskop vier Stunden später dieselbe Position am Himmel überblickte, war die Strahlung verschwunden. Daraus folgt, dass der Röntgenblitz, der zuvor das Zentrum des Detektors völlig überstrahlt hatte, weniger als acht Stunden gedauert haben muss.

Solche Röntgenexplosionen wurden bereits vor mehr als 30 Jahren von der theoretischen Forschung vorhergesagt, aber bisher nie direkt beobachtet. Diese Feuerbälle aus Röntgenstrahlen treten auf der Oberfläche von Sternen auf, die ursprünglich in ihrer Größe mit der Sonne vergleichbar waren, bevor sie den größten Teil ihres Brennstoffs aus Wasserstoff und später Helium tief in ihren Kernen verbrauchten. Diese Sternkörper schrumpfen, bis weiße Zwerge übrig bleiben, die eine ähnliche Größe wie die Erde haben, aber eine Masse enthalten, die der unserer Sonne ähneln kann. „Man kann sich diese Proportionen vorstellen, indem man sich vorstellt, die Sonne sei so groß wie ein Apfel, die Erde also so groß wie ein Stecknadelkopf, der in 10 Metern Entfernung um den Apfel kreist“, erklärt Jörn Wilms.

„Diese sogenannten Novae passieren zwar ständig, aber sie in den allerersten Momenten zu entdecken, wenn der größte Teil der Röntgenstrahlung produziert wird, ist wirklich schwierig“, fügt Dr. Victor Doroshenko von der Universität Tübingen hinzu. „Nicht nur die kurze Dauer eines Blitzes ist eine Herausforderung, sondern auch die Tatsache, dass das Spektrum der emittierten Röntgenstrahlen sehr weich ist. Weiche Röntgenstrahlen sind nicht sehr energiereich und werden vom interstellaren Medium leicht absorbiert, sodass wir nicht sehr weit sehen können.“ in diesem Band, das die Zahl der beobachtbaren Objekte begrenzt, sei es eine Nova oder ein gewöhnlicher Stern.Teleskope sind normalerweise so konstruiert, dass sie bei härteren Röntgenstrahlen am effektivsten sind, bei denen die Absorption weniger wichtig ist, und genau aus diesem Grund würden sie ein Ereignis verpassen so“, schließt Victor Doroshenko.

Sternleichen ähneln Edelsteinen

Würde man dagegen einen Apfel auf die Größe eines Stecknadelkopfes schrumpfen, würde dieses winzige Teilchen das vergleichsweise große Gewicht des Apfels behalten. „Ein Teelöffel Materie aus dem Inneren eines Weißen Zwergs hat locker die gleiche Masse wie ein großer Truc“, so Jörn Wilms weiter. Da diese ausgebrannten Sterne hauptsächlich aus Sauerstoff und Kohlenstoff bestehen, können wir sie mit gigantischen Diamanten vergleichen, die die gleiche Größe wie die Erde haben und im Weltraum herumschweben. Diese Objekte in Form von Edelsteinen sind so heiß, dass sie weiß leuchten. Allerdings ist die Strahlung so schwach, dass sie von der Erde aus nur schwer nachzuweisen ist.

Das trifft zu, es sei denn, der Weiße Zwerg wird von einem noch brennenden Stern begleitet, und wenn die enorme Anziehungskraft des Weißen Zwergs Wasserstoff aus der Hülle des begleitenden Sterns zieht. „Dieser Wasserstoff kann sich mit der Zeit zu einer nur wenige Meter dicken Schicht auf der Oberfläche des Weißen Zwergs ansammeln“, erklärt FAU-Astrophysiker Jörn Wilms. In dieser Schicht erzeugt die enorme Anziehungskraft einen enormen Druck, der so groß ist, dass er den Stern wieder zum Leuchten bringt. In einer Kettenreaktion kommt es bald zu einer gewaltigen Explosion, bei der die Wasserstoffschicht abgesprengt wird. Die Röntgenstrahlung einer solchen Explosion traf am 7. Juli 2020 auf die Detektoren von eROSITA und erzeugte ein überbelichtetes Bild.

„Der physikalische Ursprung der Röntgenemission kommt [from] Atmosphären von Weißen Zwergen ist relativ gut verstanden, und wir können ihre Spektren von Grundprinzipien bis ins kleinste Detail modellieren. Vergleich von Modellen mit Beobachtungen ermöglicht [us] um dann grundlegende Eigenschaften dieser Objekte wie Gewicht, Größe oder chemische Zusammensetzung zu lernen“, erklärt Dr. Valery Suleimanov von der Universität Tübingen.

„Das Problem in diesem speziellen Fall war jedoch, dass wir nach 30 Jahren ohne Photonen plötzlich zu viele hatten, was die spektrale Reaktion von eROSITA verzerrte, das entwickelt wurde, um Millionen von sehr schwachen Objekten statt eines sehr hellen zu erkennen.“ fügt Viktor Doroschenko hinzu.

„Anhand von Modellrechnungen, die wir ursprünglich während der Entwicklungsbegleitung des Röntgeninstruments erstellt haben, konnten wir das überbelichtete Bild in einem aufwändigen Prozess genauer analysieren, um einen Blick hinter die Kulissen einer Explosion eines Weißen Zwergs zu bekommen, oder nova“, erklärt Jörn Wilms.

Demnach hat der Weiße Zwerg etwa die Masse unserer Sonne und ist damit relativ groß. Die Explosion erzeugte einen Feuerball mit einer Temperatur von etwa 327.000 Kelvin, was ihn etwa 60-mal heißer als die Sonne macht. „Diese Parameter wurden durch Kombinieren von Röntgenstrahlungsmodellen mit Strahlungsmodellen sehr heißer Weißer Zwerge, die in Tübingen von Valery Suleimanov und Victor Doroshenko erstellt wurden, und einer sehr tiefen Analyse der Instrumentenreaktion in einem Regime weit außerhalb der Spezifikationen erhalten FAU und MPE. Ich denke, es veranschaulicht sehr schön die Bedeutung der Zusammenarbeit in der modernen Wissenschaft und das breite Spektrum an Expertise innerhalb des deutschen eROSITA-Konsortiums“, fügt Prof. Dr. Klaus Werner von der Universität Tübingen hinzu.

Da diesen Novae ziemlich schnell der Treibstoff ausgeht, kühlen sie schnell ab und die Röntgenstrahlung wird schwächer, bis sie schließlich zu sichtbarem Licht wird, das einen halben Tag nach der eROSITA-Detektion die Erde erreichte und von optischen Teleskopen beobachtet wurde. „Dann erschien ein scheinbar heller Stern, der eigentlich das sichtbare Licht der Explosion war, und so hell, dass man ihn mit bloßem Auge am Nachthimmel sehen konnte“, erklärt Ole König. Scheinbar „neue Sterne“ wie dieser wurden in der Vergangenheit beobachtet und wegen ihres unerwarteten Erscheinens „nova stella“ oder „neuer Stern“ genannt. Da diese Novae erst nach dem Röntgenblitz sichtbar sind, ist es sehr schwierig, solche Ausbrüche vorherzusagen, und es ist hauptsächlich dem Zufall überlassen, wann sie auf die Röntgendetektoren treffen. „Wir hatten wirklich Glück“, sagt Ole König.