Künstlerische Illustration eines Gammastrahlenausbruchs. Bildnachweis: NASA. Klicken um zu vergrößern.
Beobachtungen durch zwei der größten Teleskope der Welt liefern starke Beweise dafür, dass eine besondere Art von explodierenden Sternen der Ursprung schwer fassbarer Gammastrahlenausbrüche sein könnte, die Wissenschaftler seit mehr als 30 Jahren rätseln.
Ein Team von Astronomen aus Italien, Japan, Deutschland und den Vereinigten Staaten, darunter die University of California, Berkeley, kommt aus Beobachtungen mit den Keck- und Subaru-Teleskopen auf Hawaii, dass nackte Kohlenstoff-/Sauerstoffsterne, die beim Kollaps zu einem Schwarzen Loch flach werden, gute Kandidaten für die Quelle von Gammastrahlenausbrüchen.
Obwohl Astronomen einige Ausbrüche beobachtet haben, die mit dieser Art von Supernova verbunden sind – einer Supernova vom Typ Ic, die manchmal als a . bezeichnet wird Hypernova – die Theorie, wie eine Hypernova Gammastrahlen produziert, ist noch spekulativ. Die neuen Beobachtungen sind zwar keine rauchende Waffe, liefern aber einen wichtigen Beweis dafür, dass die Theorie, die als Kollapsar-Modell bezeichnet wird, richtig ist. Das Modell erklärt, wie ein asymmetrischer explodierender Stern aus jedem Pol einen engen Materie- und Energiestrahl erzeugt, der einen intensiven Ausbruch von Gammastrahlen erzeugt, während das Fehlen einer Wasserstoff- und Heliumhülle die Explosion ermöglichen würde.
„Es scheint, dass eine Kernkollaps-Supernova sowohl asymmetrisch in ihrem Explosionsmechanismus sein muss, damit es eine natürliche Achse gibt, entlang der die Materie leichter spritzen kann, und frei von einer Wasserstoffhülle sein muss, um einen Gammastrahlenausbruch zu erzeugen dass der Jet sich nicht durch viel Material prügeln muss“, sagte Co-Autor Alex Filippenko, Professor für Astronomie an der UC Berkeley.
Das Team unter der Leitung von Paolo Mazzali von der Sternwarte Triest in Italien und dem Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching, Deutschland, berichtete über seine Ergebnisse in einem Artikel, der in der Science-Ausgabe vom 27. Mai erscheint.
Die Tatsache, dass im Zusammenhang mit dieser Supernova kein Gammastrahlenausbruch beobachtet wurde, stimmt tatsächlich mit den Vorhersagen überein, sagte Ryan Foley, Doktorand an der UC Berkeley, ein Mitglied des Teams.
„Diese Beobachtungen legen nahe, dass das Kollapsar-Modell wahrscheinlich korrekt ist und dass einige dieser Supernovae vom Typ Ic außeraxiale Gammastrahlenausbrüche zu sein scheinen, bei denen der Gammastrahlenausbruch in eine andere Richtung als die Erde zeigt“, sagte Foley.
Gammastrahlenausbrüche sind kurze, aber helle Blitze von Röntgen- und Gammastrahlen, die ungefähr einmal am Tag zufällig am Himmel zu explodieren scheinen und die Sonne eine Million Billionen Mal kurz überstrahlen. Es dauerte bis 1997, um festzustellen, dass sie außerhalb unserer Milchstraße entstanden sind, und erst in den letzten Jahren haben Astronomen verlockende Hinweise darauf erhalten, dass die Ausbrüche mit Supernovae in Verbindung stehen.
Da sie so hell sind, müssen Gammablitze ein kollimierter Strahl sein, ähnlich wie, aber enger als der Lichtkegel, der von einem Leuchtturm emittiert wird. Andernfalls würde die Energie bei der Explosion der augenblicklichen Umwandlung der Masse mehrerer Sonnen in einen Energiefeuerball entsprechen.
Das beliebteste Szenario ist, dass ein kollabierender Stern zwei stark kollimierte Strahlen oder Jets aus Teilchen und Energie erzeugt, die von den Polen nach außen blitzen. Die Teilchen und die Energie erzeugen eine Stoßwelle, wenn sie auf Gas und Staub um den Stern treffen, die wiederum Teilchen auf Energien beschleunigen, bei denen sie energiereiches Licht emittieren: Gammastrahlen und Röntgenstrahlen. Der anfängliche Ausbruch verblasst über einige Sekunden, aber die resultierenden Stoßwellen (das „Nachglühen“) können nach der Explosion noch Tage für optische, Radio- und Röntgenteleskope sichtbar sein.
Ein möglicher Kandidat für die Art von Supernova, die einen Gammastrahlenausbruch erzeugen könnte, ist die Supernova vom Typ Ic. Supernovae vom Typ Ic resultieren aus massereichen Sternen, deren Winde ihre äußere Hülle aus Wasserstoff und oft ihr gesamtes Helium abgestoßen haben oder die diese äußeren Schichten an einen binären Begleiter verloren haben. Nur der Kern ist übrig geblieben, bestehend aus den Elementen, die durch Fusion im Zentrum des Sterns entstehen – hauptsächlich Kohlenstoff und Sauerstoff, aber auch andere schwere Elemente, bis hin zu einem festen Eisenzentrum.
Die Kollapsartheorie schlägt vor, dass die feste Eisenkugel im Kern des Sterns unter der Schwerkraft zu einem Schwarzen Loch kollabiert, dass der Kollaps jedoch in Sekundenbruchteilen auf einzigartige Weise stattfindet. Wenn das Eisen und die umgebende Materie nach innen fallen, erhöht sich die Drehung des Kerns, wodurch das einfallende Material zu einer Scheibe abgeflacht wird, die entlang des Äquators nach innen fließt. Die Stauung der einfallenden Materie drückt einen Teil davon auf dem Weg des geringsten Widerstands – den beiden Blaslöchern an beiden Polen – direkt wieder nach draußen.
Die aus den Polen herausgeschossene Materie stößt in die anderen Schichten des Sterns, die sie möglicherweise nicht durchdringen kann. Das Fehlen einer Wasserstoff- und Heliumhülle erhöht vermutlich die Wahrscheinlichkeit, dass der Jet durchschlägt.
„Es hat so viel Energie, dass es diese äußeren Schichten des Sterns durchdringt, die im Vergleich zu der Scheibe aus einfallendem Material im Zentrum des Sterns eine relativ geringe Dichte haben“, sagte Foley. „Irgendwann, wenn es ausbricht, haben Sie einen Gammastrahlen-Jet. Einige Supernovae vom Typ Ic können fehlgeschlagene Gammablitze sein, was bedeutet, dass der Jet versucht hat, auszustoßen, aber es war zu viel Material im Weg, und er brach nie wirklich aus. Das würde erklären, warum wir bei einigen dieser Objekte keine Gammablitze sehen.“
Wenn die Theorie stimmt, sollten Astronomen unterschiedliche Dinge sehen, je nachdem, ob der Jet auf die Erde oder von ihr weg gerichtet ist. Wenn der Jet beispielsweise senkrecht zu unserer Sichtlinie austritt, wäre kein Gammastrahlenausbruch sichtbar, aber andere Aspekte der sich ausdehnenden Supernova-Druckwelle sollten beobachtbar sein. Insbesondere sollte das Spektrum der Supernova etwa ein Jahr nach ihrer Explosion Emissionslinien von Elementen wie Sauerstoff zeigen, die aufgespalten sind, eine leicht zu niedrigeren Wellenlängen und die andere zu höheren Wellenlängen verschoben. Die beiden Linien würden von gegenüberliegenden Seiten der sich ausdehnenden Scheibe um die äquatoriale Region des verbleibenden Schwarzen Lochs kommen, eine Doppler-Verschiebung in Richtung Rot, weil sie sich von uns wegbewegt, die andere blauverschoben, weil sie sich auf uns zubewegt. Solche geteilten oder doppelten Linien wären aus einer polaren Perspektive nicht sichtbar.
Vor etwa zwei Jahren, am 25. Oktober 2003, hatten Forscher der UC Berkeley mit Filippenkos automatisiertem Supernova-Suchteleskop, dem Katzman Automatic Imaging Telescope (KAIT) am Lick Observatory der University of California, eine Supernova vom Typ Ic entdeckt. Die Supernova namens SN 2003jd befand sich im Sternbild Wassermann etwa 260 Millionen Lichtjahre entfernt. Obwohl kein zugehöriger Gammastrahlenausbruch aufgezeichnet wurde, schien die Supernova so hell zu sein wie die Supernovae, die zuvor mit Gammastrahlenausbrüchen in Verbindung gebracht wurden von Emissionslinien mit zwei Spitzen.
„Diese Beobachtungen wurden tatsächlich von unseren theoretischen Vorhersagen geleitet“, sagte Mazzali. „Die Idee war, dass eine helle Supernova vom Typ Ic, die nicht von einem Gammastrahlenausbruch begleitet wird, genau das sein könnte, wonach wir gesucht haben: ein Ereignis außerhalb der Achse, das unsere Vorhersagen bestätigen könnte.“
Koji Kawabata von der Hiroshima University, Ken’ichi Nomoto von der University of Tokyo und seine Kollegen beobachteten den Restnebel mit dem 8,2-Meter-Subaru-Teleskop am 12. September 2004, etwa 330 Tage nachdem er explodiert war. Anschließend richteten Filippenko und Foley am 19. Oktober 2004, etwa 370 Tage nach der ersten Explosion, das 10-Meter-Keck-Teleskop auf den Nebel, um mit dem Low Resolution Imaging Spectrometer (LRIS) Spektralbilder zu erhalten. Beide Teleskope stehen auf dem Vulkan Mauna Kea auf der Insel Hawaii. Subaru wird vom National Astronomical Observatory of Japan betrieben, während das Keck Observatory von der California Association for Research in Astronomy betrieben wird, deren Vorstand Vertreter des California Institute of Technology (Caltech) und der UC sind.
Kawabata, Mazzali und sein Team analysierten die Spektren und zeigten, dass sie genau so aufgespaltene Sauerstoff- und Magnesium-Emissionslinien aufweisen, wie man es erwarten würde, wenn das Kollapsar-Modell der Gammastrahlung korrekt wäre. Dies war die erste Supernova vom Typ Ic, die gespaltene Sauerstofflinien zeigte.
„Jets sind eine Signatur des Modells, was bedeutet, dass nicht alle Explosionen direkt auf uns gerichtet sind. Wenn jedes Mal, wenn wir uns diese Objekte ansahen, sie auf uns zu zeigen schienen, würde das bedeuten, dass das Modell wahrscheinlich fehlerhaft ist“, sagte Foley. „Das Modell sagt voraus, dass ein bestimmter Prozentsatz dieser Objekte wie diese Supernova aussehen sollte (SN 2003jd). Nachdem wir eines davon gefunden haben, ist die Glaubwürdigkeit des Modells gestiegen.“
Um solche doppelten Sauerstofflinien zu sehen, müsste der Supernovanebel innerhalb von 20 Grad von der sich ausdehnenden Scheibe gesehen werden, eine seltene Situation, die erklären könnte, warum andere Supernovae vom Typ Ic, einschließlich einiger, die mit einem Gammastrahlenausbruch verbunden sind, die Aufspaltung nicht zeigen Sauerstoff Leitung.
„(Unsere Beobachtungen) stärken die Verbindung zwischen Gammablitzen und Supernovae vom Typ Ic, indem sie zeigen, dass es sich bei der Typ Ic SN 2003jd tatsächlich um eine asymmetrische Explosion gehandelt hat, deren Hauptausstoßachse zufällig nicht auf uns gerichtet war“, sagte Filippenko.
Andere Co-Autoren des Papiers sind Keiichi Maeda, Jinsong Deng und Nozomu Tominaga von der Universität Tokio; Enrico Ramirez-Ruiz vom Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey; Stefano Benetti vom Astronomischen Observatorium von Padua, Italien; Elena Pian von der Sternwarte Triest; Youichi Ohyama vom Subaru-Teleskop; Masanori Iye von Japans National Astronomical Observatory; Thomas Matheson vom National Optical Astronomy Observatory in Tuscon, Arizona; Lifan Wang vom Lawrence Berkeley National Laboratory; und Avishay Gal-Yam von Caltech.
Die Arbeit wurde teilweise von der National Science Foundation, der Japan Society for the Promotion of Science und dem japanischen Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie unterstützt.
Originalquelle: Berkeley-Pressemitteilung
