Webb enthüllt erstaunliche Auswurf- und CO-Strukturen in der jungen Supernova von Cassiopeia A

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Das SETI-Institut gab die neuesten Ergebnisse des James Webb-Weltraumteleskops (JWST) über den Supernovaüberrest Cassiopeia A (Cas A) bekannt. Diese Beobachtungen der jüngsten bekannten Kernkollaps-Supernova in der Milchstraße geben Einblicke in die Bedingungen, die zur Bildung und Zerstörung von Molekülen und Staub in Supernova-Auswurfmaterial führen.

Die Ergebnisse der Studie verändern unser Verständnis der Staubbildung im frühen Universum in den Galaxien, die 300 Millionen Jahre nach dem Urknall vom JWST entdeckt wurden. Forscher betrachten Supernovas, wie jene, die Cas A bildeten, als wichtige Quellen des Staubs, der in weit entfernten Galaxien mit hoher Rotverschiebung zu sehen ist. Diese neuen Erkenntnisse stellen die Annahme in Frage, dass Staub hauptsächlich von mittelschweren Sternen auf dem asymptotischen Riesenast (AGB) in heutigen Galaxien stammt.

„Es ist bemerkenswert, wie hell die Kohlenmonoxid-Emission ist, die in der NIR-Bildgebung und Spektroskopie des JWST entdeckt wurde. Sie zeigt einige Dutzend sinusförmige Muster grundlegender CO-Rotationsschwingungslinien“, sagte Dr. Jeohghee Rho, Wissenschaftler am SETI-Institut, der diese Untersuchung leitete. „Die Muster sehen aus, als wären sie künstlich erzeugt worden.“

Zu den wichtigsten Ergebnissen gehören:

  • Molekulare CO-Bildung: Die Daten zeigen mehr CO-Gas in den äußeren Schichten als Argongas, was bedeutet, dass sich nach der Rückstoßwelle erneut CO-Moleküle bilden. Diese Daten sind wichtig, um zu verstehen, wie Abkühlung und Staubbildung nach einer Supernova-Explosion stattfinden. Die Bilder zeigen, dass sich hinter der Rückstoßwelle erneut CO-Moleküle bilden und den Staub im Auswurfmaterial möglicherweise geschützt haben.
  • Detaillierte Spektroskopie: Die NIRSpec-IFU-Spektren von zwei signifikanten Bereichen in Cas A zeigen Unterschiede in der Entstehung der Elemente. Beide Regionen weisen starke CO-Gassignale auf und zeigen verschiedene ionisierte Elemente wie Argon, Silizium, Kalzium und Magnesium. Die grundlegenden CO-Linien sind einige Dutzend sinusförmige Muster grundlegender CO-Rotationsschwingungslinien mit einem darunter liegenden Kontinuum aufgrund der hohen Geschwindigkeit der CO-Moleküle.
  • Einblicke in die Temperatur: Die Forschung zeigt, dass die Temperatur, basierend auf den CO-Gasemissionen, bei etwa 1080 K liegt. Dies hilft uns zu verstehen, wie Staub, Moleküle und hochionisiertes Gas in Supernovas interagieren. Die Autoren finden jedoch auch Schwingungslinien in Linien mit hoher Rotation (J=90), deren Merkmale zwischen 4,3 und 4,4 Mikrometern auftreten. Diese Linien weisen auf das Vorhandensein einer heißeren (4800 K) Temperaturkomponente hin, was auf eine gleichzeitige Bildung und Neubildung von CO hindeutet. CO aus derart hohen Rotationsniveaus wurde erstmals in Cas A mit der neuen JWST-Spektroskopie beobachtet.
  • Supernovas wie Cas A, die 11.000 Lichtjahre entfernt liegt, sind Explosionen, die auftreten, wenn ein massereicher Stern vor etwa 350 Jahren das Ende seines Lebens erreicht. Bei einer sogenannten Kernkollaps-Supernova kollabiert das Innere des Sterns aufgrund der Schwerkraft nach innen, sobald der Kernbrennstoff, der den Stern angetrieben hat, aufgebraucht ist. Der Rückstoß dieses Kollapses schleudert die äußere Hülle des Sterns in einer Explosion in den Weltraum, die heller sein kann als eine ganze Galaxie.

    • „So heißes CO in einem jungen Supernovaüberrest zu sehen, ist wirklich bemerkenswert und weist darauf hin, dass die CO-Bildung auch Tausende von Jahren nach der Explosion noch stattfindet“, sagte Chris Ashall, Assistenzprofessor an der Virginia Tech.

    „Die Kombination solch beeindruckender Datensätze mit früheren JWST-Beobachtungen von Supernovas wird es uns ermöglichen, die Entstehungswege von Molekülen und Staub auf eine Weise zu verstehen, die bisher nicht möglich war.“

    Bahnbrechende Bilder und Spektroskopie

    Die Beobachtungen erfolgten mit dem Near Infrared Camera Instrument (NIRCam) und dem Mid Infrared Instrument (MIRI) des JWST sowie mit detaillierter Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec)-Integral Field Units (IFU)-Spektroskopie. Das Team kartierte die komplexen Strukturen der Synchrotronstrahlung (Licht, das emittiert wird, wenn geladene Teilchen wie Elektronen in starken Magnetfeldern auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden), argonreicher Auswürfe und Kohlenmonoxidmoleküle (CO) in Cas A. Die Bilder zeigen sehr detaillierte und komplexe Muster aus Schalen, Löchern und Filamenten und unterstreichen damit die Leistungsfähigkeit des JWST.

    Seong Hyun Park, ein Doktorand an der Seoul National University in Südkorea, hat gemeinsam mit Rho eine Modellierung der CO-Eigenschaften durchgeführt.

    Die neuen Beobachtungen unterstreichen die komplexen und miteinander konkurrierenden molekularen Entstehungs- und Zerstörungsprozesse von Supernova-Überresten. Obwohl sie nicht direkt zur Staubbildung führen, sind CO-Moleküle wichtige Indikatoren für die Abkühlungs- und chemischen Prozesse, die schließlich zur Staubkondensation führen.

    Diese Studie bietet zwar neue Perspektiven, doch die Debatte darüber, inwieweit Supernovae zur Staubbildung im frühen Universum beitragen, geht weiter. Forscher werden diese Phänomene mit zukünftigen Beobachtungen und Forschungen weiter untersuchen, um die Geheimnisse der kosmischen Staub- und Molekülbildung zu entschlüsseln.

    Die Ergebnisse sind veröffentlicht diese Woche in Die Briefe des Astrophysical Journal.

    Mehr Informationen:
    J. Rho et al., Schockierend helle, warme molekulare Kohlenmonoxid-Merkmale im Supernova-Überrest Cassiopeia A, aufgedeckt durch JWST, Die Briefe des Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad5186

    Zur Verfügung gestellt vom SETI Institute

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