Supernova enthüllt ihre Geheimnisse einem Team von Astronomen

Eine internationale Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Benjamin Thomas von der University of Texas in Austin hat Beobachtungen des Hobby-Eberly-Teleskops (HET) am McDonald-Observatorium der Universität verwendet, um ein rätselhaftes Rätsel um eine vor einigen Jahren entdeckte Sternexplosion zu lüften, die sich auch heute noch entwickelt . Die Ergebnisse, veröffentlicht in der heutigen Ausgabe von Das Astrophysikalische Journalwird Astronomen dabei helfen, besser zu verstehen, wie massereiche Sterne leben und sterben.

Wenn ein explodierender Stern zum ersten Mal entdeckt wird, beginnen Astronomen auf der ganzen Welt, ihn mit Teleskopen zu verfolgen, da sich das Licht, das er abgibt, im Laufe der Zeit schnell ändert. Sie sehen, wie das Licht einer Supernova heller wird, schließlich seinen Höhepunkt erreicht und dann schwächer wird. Indem sie die Zeiten dieser Spitzen und Täler in der Helligkeit des Lichts, die als „Lichtkurve“ bezeichnet werden, sowie die charakteristischen Wellenlängen des zu verschiedenen Zeiten emittierten Lichts notieren, können sie die physikalischen Eigenschaften des Systems ableiten.

„Ich denke, das wirklich Coole an dieser Art von Wissenschaft ist, dass wir uns die Emission ansehen, die von Materie kommt, die vom Vorläufersystem abgestoßen wurde, bevor es als Supernova explodierte“, sagte Thomas. „Und das ergibt eine Art Zeitmaschine.“

Im Fall der Supernova 2014C war der Vorläufer ein Doppelstern, ein System, in dem sich zwei Sterne umkreisen. Der massereichere Stern entwickelte sich schneller, expandierte und verlor seine äußere Hülle aus Wasserstoff an den Begleitstern. Der innere Kern des ersten Sterns verbrannte weiterhin leichtere chemische Elemente zu schwereren, bis ihm der Treibstoff ausging. Als dies geschah, ließ der nach außen gerichtete Druck des Kerns nach, der das große Gewicht des Sterns gehalten hatte. Der Kern des Sterns brach zusammen und löste eine gigantische Explosion aus.

Dies macht es zu einer Art von Supernova, die Astronomen als „Typ Ib“ bezeichnen. Insbesondere Typ-Ib-Supernovae zeichnen sich dadurch aus, dass sie zumindest anfangs keinen Wasserstoff in ihrem ausgestoßenen Material aufweisen.

Thomas und sein Team haben SN 2014C seit seiner Entdeckung in jenem Jahr von Teleskopen am McDonald Observatory aus verfolgt. Viele andere Teams auf der ganzen Welt haben es ebenfalls mit Teleskopen am Boden und im Weltraum und in verschiedenen Arten von Licht untersucht, darunter Radiowellen vom bodengestützten Very Large Array, Infrarotlicht und Röntgenstrahlen vom Weltraum aus Chandra-Observatorium.

Aber die Studien von SN 2014C von all den verschiedenen Teleskopen ergaben kein zusammenhängendes Bild davon, wie Astronomen dachten, wie sich eine Typ-Ib-Supernova verhalten sollte.

Zum einen zeigte die optische Signatur des Hobby-Eberly-Teleskops (HET), dass SN 2014C Wasserstoff enthielt – ein überraschender Befund, der auch unabhängig von einem anderen Team mit einem anderen Teleskop entdeckt wurde.

„Dass eine Typ-Ib-Supernova anfängt, Wasserstoff zu zeigen, ist völlig seltsam“, sagte Thomas. „Es gibt nur eine Handvoll Ereignisse, die sich als ähnlich erwiesen haben.“

Zweitens verhielt sich die optische Helligkeit (Lichtkurve) dieses Wasserstoffs seltsam.

Die meisten Lichtkurven von SN 2014C – Radio-, Infrarot- und Röntgenstrahlen – folgten dem erwarteten Muster: Sie wurden heller, erreichten einen Höhepunkt und begannen zu fallen. Aber das optische Licht des Wasserstoffs blieb stabil.

„Das Rätsel, mit dem wir gekämpft haben, war: ‚Wie passen wir unsere Texas-HET-Beobachtungen von Wasserstoff und seinen Eigenschaften darin an? [Type Ib] Bild?’“, sagte UT Austin-Professor und Teammitglied J. Craig Wheeler.

Das Problem, erkannte das Team, bestand darin, dass frühere Modelle dieses Systems davon ausgingen, dass die Supernova explodiert war und ihre Schockwelle kugelförmig aussendete. Die Daten von HET zeigten, dass diese Hypothese unmöglich war – es musste etwas anderes passiert sein.

„Es würde einfach nicht in ein kugelsymmetrisches Bild passen“, sagte Wheeler.

Das Team schlägt ein Modell vor, bei dem die Wasserstoffhüllen der beiden Sterne im Vorläufer-Binärsystem zu einer „gemeinsamen Hüllenkonfiguration“ verschmolzen sind, bei der beide in einer einzigen Gashülle enthalten sind. Das Paar stieß dann diese Hülle in einer sich ausdehnenden, scheibenartigen Struktur aus, die die beiden Sterne umgibt. Als einer der Sterne explodierte, kollidierte sein sich schnell bewegender Auswurf mit der sich langsam bewegenden Scheibe und glitt auch mit einer „Grenzschicht“ mit mittlerer Geschwindigkeit entlang der Scheibenoberfläche.

Das Team schlägt vor, dass diese Grenzschicht der Ursprung des Wasserstoffs ist, den sie entdeckten und dann sieben Jahre lang mit HET untersuchten.

Somit stellten sich die HET-Daten als der Schlüssel heraus, der das Geheimnis der Supernova SN 2014C entschlüsselte.

„Im weiteren Sinne ist die Frage, wie massereiche Sterne ihre Masse verlieren, die große wissenschaftliche Frage, der wir nachgegangen sind“, sagte Wheeler. „Wie viel Masse? Wo ist sie? Wann wurde sie ausgestoßen? Durch welchen physikalischen Prozess? Das waren die Makrofragen, denen wir nachgingen.

„Und 2014C hat sich gerade als ein wirklich wichtiges Einzelereignis herausgestellt, das den Prozess veranschaulicht“, sagte Wheeler.