Supernovae gehören zu den energiereichsten und stärksten Ereignissen im beobachtbaren Universum. Sie überstrahlen für kurze Zeit ganze Galaxien und sind die letzten, sterbenden Ausbrüche von Sternen, die um ein Vielfaches massereicher sind als unsere Sonne. Und während wir wissen, dass Supernovae dafür verantwortlich sind, die schweren Elemente zu erzeugen, die für alles erforderlich sind, von Planeten über Menschen bis hin zu Elektrowerkzeugen, haben Wissenschaftler lange darum gekämpft, die Mechanismen hinter dem plötzlichen Kollaps und der anschließenden Explosion massereicher Sterne zu bestimmen.
Dank der NASA NuSTAR Mission haben wir unsere ersten soliden Hinweise darauf, was passiert, bevor ein Stern „boom“ wird.
Das obige Bild zeigt den Supernova-Überrest Cassiopeia A (oder kurz Cas A) mit NuSTAR-Daten in Blau und Beobachtungen von der Chandra Röntgenobservatorium in rot, grün und gelb. Es ist die Stoßwelle, die von der Explosion eines Sterns übrigblieb, der vor über 330 Jahren etwa 15- bis 25-mal massereicher war als unsere Sonne,* und je nach Temperatur und Art der vorhandenen Elemente in verschiedenen Wellenlängen des Lichts leuchtet.
Künstlerisches Konzept von NuSTAR im Orbit. (NASA/JPL-Caltech)
Frühere Beobachtungen mit Chandra zeigten Röntgenemissionen von expandierenden Schalen und Filamenten aus heißem eisenreichem Gas in Cas A, aber sie konnten nicht tief genug blicken, um eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, was sich im Inneren der Struktur befindet. Erst als das Nuclear Spectroscopic Telescope Array der NASA – das ist NuSTAR für die Kenner – seine Röntgensicht auf Cas A richtete, konnten die fehlenden Puzzleteile gefunden werden.
Und sie bestehen aus radioaktivem Titan.
Es wurden viele Modelle erstellt (unter Verwendung von Millionen Stunden Supercomputerzeit), um zu versuchen, Kernkollaps-Supernovae zu erklären. Einer der führenden lässt den Stern von mächtigen Jets, die von seinen Polen abfeuern, zerfetzen – etwas, das mit noch stärkeren (aber fokussierten) Gammastrahlenausbrüchen in Verbindung gebracht wird. Aber es schien nicht, dass Jets die Ursache bei Cas A waren, das keine elementaren Überreste innerhalb seiner Jet-Strukturen aufweist … und außerdem führten die Modelle, die sich nur auf Jets stützen, nicht immer zu einer ausgewachsenen Supernova.
Wie sich herausstellte, weisen die asymmetrischen Klumpen radioaktiven Titans tief in den Schalen von Cas A, die in hochenergetischen Röntgenstrahlen von NuSTAR entdeckt wurden, auf einen überraschend anderen Prozess hin: ein „Schwappen“ von Material innerhalb des Vorläufers Stern, der eine Schockwelle auslöst und sie schließlich zerreißt.
Sehen Sie sich eine Animation an, wie dieser Vorgang abläuft:
Das Schwappen, das über einen Zeitraum von nur ein paar hundert Millisekunden auftritt – buchstäblich im Handumdrehen – wird mit kochendem Wasser auf einem Herd verglichen. Wenn die Blasen die Oberfläche durchbrechen, bricht der Dampf aus.
Nur in diesem Fall führt die Eruption zur wahnsinnig starken Detonation eines ganzen Sterns, der eine Stoßwelle hochenergetischer Teilchen in das interstellare Medium schleudert und ein Periodensystem voller schwerer Elemente in die Galaxie streut.
Im Fall von Cas A wurde Titan-44 in Klumpen ausgestoßen, die die Form der ursprünglichen schwappenden Asymmetrie widerspiegeln. NuSTAR konnte das Titan, das aufgrund seiner Radioaktivität im Röntgenlicht leuchtet (und nicht, weil es durch expandierende Stoßwellen erhitzt wird, wie andere für Chandra sichtbare leichtere Elemente), abbilden und kartieren.
„Bis wir NuSTAR hatten, konnten wir nicht wirklich in den Kern der Explosion sehen“, sagte Caltech-Astronom Brian Grefenstette während einer NASA-Telekonferenz am 19. Februar.
Illustration des Prä-Supernova-Sterns in Cassiopeia A. Es wird vermutet, dass seine Schichten kurz vor der Detonation „umgekrempelt“ wurden. (NASA/CXC/M.Weiss)
„Früher war es schwer zu interpretieren, was in Cas A vor sich ging, weil das Material, das wir sehen konnten, nur im Röntgenstrahl leuchtet, wenn es erhitzt wird. Jetzt, da wir das radioaktive Material sehen können, das in jedem Fall in Röntgenstrahlen leuchtet, erhalten wir ein vollständigeres Bild von dem, was im Kern der Explosion vor sich ging.“
- Brian Grefenstette, Hauptautor, Caltech
Okay, so toll, sagst du. NuSTAR der NASA hat das Leuchten von Titan in den Überresten eines aufgeblasenen Sterns gefunden, Chandra sah etwas Eisen, und wir wissen, dass es im Bruchteil einer Sekunde schwappte und „kochte“, bevor es explodierte. Na und?
„Jetzt sollten Sie sich darum kümmern“, sagte der Astronom Robert Kirshner vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. „Supernovae stellen die chemischen Elemente her. Wenn Sie also ein amerikanisches Auto gekauft haben, wurde es vor zwei Jahren nicht in Detroit hergestellt; die Eisenatome in diesem Stahl wurden in einer uralten Supernova-Explosion hergestellt, die vor fünf Milliarden Jahren stattfand. Und NuSTAR zeigt, dass das Titan, das in der Ersatzhüfte Ihres Onkel Jack steckt, auch bei dieser Explosion hergestellt wurde.
„Wir sind alle Sternenstaub und NuSTAR zeigt uns, woher wir kommen. Inklusive unserer Ersatzteile. Also solltest du dich darum kümmern … und dein Onkel Jack sollte es auch.“
Und es sind nicht nur Kernkollaps-Supernovae, die NuSTAR untersuchen kann. Andere Arten von Supernovae werden ebenfalls unter die Lupe genommen – im Fall von SN2014J, a Typ Ia das wurde gesichtet in M82 im Januar , auch direkt nachdem sie aufgetreten sind.
„Wir wissen, dass dies eine Art Weißer Zwergstern ist, der detoniert“, antwortete Fiona Harrison, leitende Ermittlerin von NuSTAR, Universe Today während der Telefonkonferenz. „Das sind sehr aufregende Neuigkeiten… NuSTAR hat sich [SN2014J] seit Wochen angesehen und wir hoffen, auch etwas zu dieser Explosion sagen zu können.“
Frühere Aufnahmen mit Chandra (links, Mitte) werden mit neuen Daten von NuSTAR (rechts) kombiniert, um ein vollständiges Bild eines Supernova-Überrests zu erstellen. (NASA/JPL-Caltech/CXC/SAO)
Eine der wertvollsten Errungenschaften der jüngsten NuSTAR-Erkenntnisse besteht darin, dass künftige Modelle von Kernkollaps-Supernovae mit einer Reihe neuer beobachteter Einschränkungen versehen werden müssen … Jahre, nachdem sie es getan haben.
„NuSTAR ist eine bahnbrechende Wissenschaft, und Sie müssen damit rechnen, dass neue Ergebnisse ebenso viele Fragen aufwerfen wie Sie beantworten“, sagte Kirshner.
NuSTAR wurde im Juni 2012 auf den Markt gebracht und ist das erste fokussierende Hartröntgen-Teleskop, das die Erde umkreist, und das erste Teleskop, das Karten radioaktiver Elemente in Supernova-Überresten erstellen kann.
Lesen Sie hier mehr über die JPL-Pressemitteilung , und hören Sie sich die komplette Pressekonferenz an Hier .
*Da Cas A 11.000 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt, liegt das tatsächliche Datum der Supernova vor etwa 11.330 Jahren. Gib oder nimm ein paar.
