Bildnachweis: Hubble
Ein neuer Artikel, der in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, hilft dabei, ein langjähriges Rätsel über einige der frühesten festen Teilchen im Universum zu lösen. Durch die Messung des Supernova-Überrests Cassiopeia A mit dem sehr präzisen SCUBA-Teleskop konnten Astronomen enorme Mengen kosmischen Staubs unter -257 Grad Celsius nachweisen. Früher war heißer Staub gefunden worden, aber der kältere Staub war größtenteils unsichtbar – bis jetzt. Es scheint, dass Supernovae äußerst effizient den Staub produzieren, der später Planeten, Gesteine und Menschen bildet.
Wir haben gerade entdeckt, dass einige Supernovae schlechte Angewohnheiten haben – sie stoßen riesige Mengen Rauch aus, bekannt als kosmischer Staub. Dies löst ein seit langem bestehendes Rätsel über die Entstehung von kosmischem Staub und legt nahe, dass Supernovae, bei denen es sich um explodierende Sterne handelt, für die Produktion der ersten festen Teilchen im Universum verantwortlich waren.
Die Hauptverdächtigen
Supernovae sind die heftigen Explosionen von Sternen, die am Ende ihres Lebens auftreten. Sie treten etwa alle 50 Jahre in unserer Galaxie auf und es gibt zwei Haupttypen – Typ Ia und II. Typ II sind die Explosionen sehr massereicher Sterne mit einer Masse von mehr als dem 8-fachen der Sonnenmasse (Msun). Diese Sterne „leben schnell – sterben jung“ und verbrauchen ihren Wasserstoff- und Heliumbrennstoff in nur wenigen Millionen Jahren, tausendmal schneller als die Sonne ihren Brennstoff verbrennt. Wenn der Brennstoffvorrat aufgebraucht ist, muss der Stern immer schwerere Elemente verbrennen, bis er schließlich, wenn er sich nicht mehr selbst am Leben halten kann, die inneren Teile des Sterns zu einem Neutronenstern oder Schwarzen Loch kollabieren und die äußeren Teile geschleudert werden in der Katastrophe nennen wir eine Supernova. Die gewaltige Explosion reißt das umgebende Gas zu einer Hülle auf, die bei Röntgen-, optischen und Radiowellenlängen leuchtet und Stoßwellen durch die Galaxie schickt. Supernovae setzen in einem einzigen Augenblick mehr Energie frei, als die Sonne in ihrer gesamten Lebenszeit produzieren wird. Wenn der nächste massereiche Stern, Beteigeuze im Sternbild Orion, zur Supernova würde, wäre er (für kurze Zeit) heller als der Vollmond.
Die kosmische Nebelwand
Interstellarer Staub besteht aus winzigen Partikeln fester Materie, die im Raum zwischen den Sternen herumschweben – mit typischen Größen wie Zigarettenrauch. Es ist nicht dasselbe wie der Staub, den wir in unseren Häusern aufräumen, und tatsächlich ist die Erde ein riesiger Klumpen kosmischen Staubs! Es ist dafür verantwortlich, etwa die Hälfte des von Sternen und Galaxien emittierten Lichts zu blockieren und beeinflusst unsere Sicht auf das Universum tiefgreifend. Diese 'staubige' Wolke hat jedoch einen Silberstreifen, da die Astronomen den Staub 'sehen' können, der das gestohlene Sternenlicht mit speziellen Kameras ausstrahlt, die bei längeren Wellenlängen arbeiten, im Infrarot (IR: 10 - 100 Mikrometer) und im Submillimeterbereich ( sub-mm: 0,3 – 1mm) Teil des elektromagnetischen Spektrums. Eine solche Kamera heißt SCUBA und befindet sich auf dem James Clerk Maxwell Telescope in Hawaii. SCUBA ist ein in Großbritannien gebautes Instrument, das Lichtwellen bei Sub-mm-Wellenlängen erkennt und in der Lage ist, Staub bis hin zu den entferntesten Sternen und Galaxien zu sehen.
Staubige Anfänge
Jüngste Beobachtungen mit SCUBA haben gezeigt, dass eine riesige Menge Staub in Galaxien und Quasaren existiert, als das Universum nur 1/10 seines heutigen Alters hatte, lange bevor sich Erde und Sonnensystem gebildet hatten. Das Vorhandensein all dieses Staubs im fernen Universum hat einen großen Einfluss darauf, was Astronomen mit ihren riesigen optischen Teleskopen sehen können, da er die Menge an Sternenlicht begrenzt, die aus einer fernen Galaxie entweichen und auf der Erde gesehen werden kann.
Dass es zu einem so frühen Zeitpunkt im Universum so viele feste Teilchen gab, war für Astronomen eine große Überraschung, da sie glaubten, dass Staub hauptsächlich in kühlen Winden von Roten Riesensternen gegen Ende ihres Lebens gebildet wird. Da es lange dauert, bis der Stern dieses Stadium seiner Entwicklung erreicht (die Sonne wird etwa 9 Milliarden Jahre brauchen), war einfach nicht genug Zeit, um auf diese Weise so viel Staub zu erzeugen.
„Staub wurde unter den kosmischen Teppich gekehrt – seit Jahren wird er von Astronomen als lästig empfunden, weil er das Licht der Sterne verbirgt. Aber dann fanden wir heraus, dass es Staub direkt am Rand des Universums gibt, in den frühesten Sternen und Galaxien, und wir stellten fest, dass wir nicht einmal seinen grundlegenden Ursprung wussten“, erklärte Dr. Dunne.
Supernovae produzieren auch große Mengen schwerer Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff und werfen sie in den interstellaren Raum. Dies sind die Elemente, aus denen unser Körper besteht, und da sie auch die Elemente sind, aus denen Staubkörner bestehen, sind Supernovae seit langem ein Hauptverdächtiger im Mysterium der Entstehung des kosmischen Staubs. Da es nur wenige Millionen Jahre dauert, bis die massereichsten Sterne das Ende ihres Lebens erreichen und als Supernovae explodieren, könnten sie schnell genug Staub machen, um zu erklären, was im frühen Universum beobachtet wird. Bis zur Arbeit dieses Teams wurden jedoch nur winzige Mengen Staub in Supernovae gefunden – so dass Astronomen eine rauchende Waffe, aber keinen „Rauch“ haben.
Haley Morgan, eine Doktorandin in Cardiff, sagte: „Wenn Supernovae effiziente Staubfabriken wären, würden sie alle mehr als die Masse der Sonne in Staub produzieren.“
„Da sich massereiche Sterne nach astronomischen Maßstäben im Handumdrehen zu Supernovae entwickeln, könnten sie leicht erklären, warum das frühe Universum so staubig erscheint“, fügte Dr. Rob Ivison vom Royal Observatory Edinburgh hinzu.
Supernova-Spürhunde
Das Team aus Cardiff und Edinburgh nutzte SCUBA, um in den Überresten einer kürzlich erfolgten Supernova nach Staubemissionen zu suchen. Cassiopeia A ist der Überrest einer Supernova, die vor etwa 320 Jahren stattfand. Es befindet sich im Sternbild Kassiopeia, 11.000 Lichtjahre von der Erde entfernt und hat einen Durchmesser von etwa 10 Lichtjahren. Cas A ist die hellste Radioquelle am Himmel und wird daher bei vielen Wellenlängen von der optischen bis zur Röntgenstrahlung gut untersucht. Die Bilder unten zeigen Cas A in den Röntgenstrahlen, optisch, Infrarot und Radio. Die Röntgenstrahlen folgen dem wirklich heißen Gas (10 Millionen Kelvin), und die anderen Wellenlängen verfolgen Material bei: 10 Tausend Grad (optisch), heißem Staub bei 100 K (IR) und hochenergetischen Elektronen (Radio).
Obwohl Astronomen jahrzehntelang nach Staub in Supernova-Überresten gesucht hatten, hatten sie Instrumente verwendet, die nur recht warmen Staub wie den oben abgebildeten ISO-Infrarot-Bild erkennen konnten. SCUBA hat hier den Vorteil, dass es sehr kalten Staub sehen kann und das liegt daran, dass es bei längeren Sub-mm-Wellenlängen arbeitet.
'So wie man einen eisernen Schürhaken nur im Feuer sehen kann, kann man Staub mit Infrarotkameras nur sehen, wenn es wärmer als etwa 25 Kelvin ist, aber SCUBA kann ihn auch sehen, wenn es kälter ist.' erklärte Dr. Steve Eales, Dozent für Astrophysik an der Universität Cardiff.
Kalte harte Beweise
SCUBA fand eine große Menge Staub im Überrest von Cas A, 1-4 mal mehr als die Masse der Sonne! Das sind über 1.000 Mal mehr als zuvor. Dies bedeutet, dass Cas A sehr effizient Staub aus den verfügbaren Elementen erzeugte. Die Temperatur des Staubes ist sehr niedrig, nur 18 Kelvin (-257 Grad Celsius), weshalb er noch nie zuvor gesehen wurde. Unten sind die beiden Sub-mm-Bilder von Cas A bei 850 und 450 Mikrometer, die mit SCUBA aufgenommen wurden. Sie können sehen, dass das linke Bild ein wenig wie das obige Radiobild aussieht, und das liegt daran, dass die hochenergetischen Elektronen, die das Radiobild bewirken, auch einen Teil ihrer Energie bei etwas kürzeren Wellenlängen emittieren – und die Sub-mm-Emission bei 850 Mikrometer verunreinigen. Das mittlere Bild ist bei 450 Mikrometer, wo die Kontamination viel geringer ist, und daher stammt der größte Teil dieser Emission von kaltem Staub. Wenn wir die Verunreinigungen entfernen, erhalten wir ein anderes Bild (rechts). Der ganze Staub ist in der unteren Hälfte des Rests zu sehen und die beiden Sub-mm-Bilder sehen jetzt viel ähnlicher aus!
850 Mikrometer ohne Funkkontamination
'Das Rätsel ist, wie der Staub so kalt bleiben kann, wenn wir wissen, dass aus der von ihm abgegebenen Röntgenstrahlung Gas mit einer Temperatur von über einer Million Grad vorhanden ist', kommentierte Prof. Mike Edmunds, Leiter der School of Physics & Astronomy in Cardiff.
Der Staub hat auch andere Eigenschaften als der „alltägliche“ Staub in der Milchstraße und anderen Galaxien – er „leuchtet“ besser im Sub-mm, vielleicht weil er noch sehr jung und relativ unberührt ist. Wenn alle Supernovae so effizient wären, Staub zu erzeugen, wären sie die größten Staub-„Fabriken“ in der Galaxis. Rauchende Supernovae bieten eine Lösung für das Geheimnis der riesigen Staubmengen, die im frühen Universum beobachtet wurden.
„Diese Beobachtungen geben uns einen verlockenden Einblick in die Entstehung der ersten festen Teilchen im Universum“, sagt Haley Morgan.
Originalquelle: Pressemitteilung der Universität Cardiff