Die Supernova - Neue Zürcher Zeitung
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Sicut 3iittf)tr Teilung FORSCHUNG UND TECHNIK 064/6 Mittwoch. 18. März 1987 Nr. 64 69 Wie amorpli ist amorphes Silizium? Nachweis von Sitbmikrokristalliten im Nanometerbereich Die Grosse Magellansche Wolke mit der am 24. Februar entdeckten Supernova. (Bild ESO) Die Supernova «1987a» Ein sterbender Stern in der Grossen Magellanschen Wolke tr. Am 24. Februar 1987 wurde fast gleichzeitig von Südamerika, Australien und Neuseeland aus in der Grossen Magellanschen Wolke eine Supernova entdeckt. Sie erhielt die Bezeichnung «1987a» und liegt 20 Bogenminuten südwestlich vom bekannten Tarantelnebel (NGC 2070). Erstentdecker war der Astronom lan Shelton von der Universität Toronto, der am Observatorium Las Campanas in Chile tätig ist. Eine Supernova in relativ geringer Entfernung ist ein von Astronomen seit langem sehnlich erwartetes Ereignis. «1987a» erfüllt diesen Wunsch, ist doch die Grosse Magellansche Wolke (LMC, Large Magellanic Cloud) eine der zwei kleinen Begleitgalaxien der Milchstrasse; sie ist lediglich 165 000 Lichtjahre von uns entfernt. Die beiden Magellanschen Wolken sind von der Südhalbkugel aus sichtbar und wurden 1521 vom portugiesischen Seefahrer Ferdinand Magellan erstmals beschrieben. Es sind auffallende Objekte mit einem Durchmesser von 12 beziehungsweise 4 Grad. Die LMC gehört zu den unregelmässigen Balkenspiralen und enthält rund 15 Milliarden Sterne. Ein seltenes Ereignis Ein Supernovaausbruch gehört zu den spektakulärsten Himmelserscheinungen, kann doch die Leuchtkraft des betroffenen, am Ende seiner Entwicklung stehenden, massereichen Sterns innert weniger Tage um das Milliardenfache ansteigen. Der Energieausstoss liegt zwischen 10'und lO44 Joule, also gleich viel, wie unsere Sonne in zehn bis hundert Millionen Jahren abstrahlt. Es werden jedes Jahr 20 bis 25 Supernovä beobachtet, doch ereignen sich diese «Sternexplosionen» in der Regel in weit entfernten Galaxien. Seit der Erfindung des Teleskops konnte noch nie eine Supernova in der Milchstrasse beobachtet werden. Das interessanteste Ereignis dieser Art fand 1054 im Sternbild Stier in einer Entfernung von 6300 Lichtjahren statt. Es wurde von chinesischen und japanischen Astronomen beschrieben, in Europa jedoch nicht zur Kenntnis genommen, obwohl diese Supernova mit freiem Auge am Taghimmel sichtbar war. Daraus entwickelte sich der berühmte Crab-Nebel. eines der meisterforschten Himmelsobjekte, in dessen Zentrum sich ein Pulsar befindet. Darauf folgte 1572 die Tychonische Supernova im Sternbild Cassiopeia, die vom dänischen Astronomen Tycho Brahe untersucht wurde. Johannes Kepler war der letzte Astronom, der das Glück hatte, eine galaktische Supernova beobachten zu können, und zwar im Sternbild Ophiuchus. Leider musste sich die Astronomie damals noch auf Positions- und Helligkeitsbestimmungen beschränken, Teleskop und Spektrograph gab es ja noch nicht. Man schätzt, dass in der Milchstrasse pro Jahrtausend 10 bis 25 Supernova aufleuchten, doch liegen die meisten davon für uns ungünstig, so dass ihr Licht von interstellaren Staubwolken sehr stark abgeschwächt wird. Ein Supernovaausbruch ist die Endphase der Entwicklung massereicher Sterne, deren nukleare Energiereserven in der Form von Wasserstoff und Helium weitgehend aufgebraucht sind. Der gravitationellen Kontraktion steht nunmehr kein Strahlungsdruck entgegen; der vorwiegend aus mittelschweren Elementen der Eisengruppe bestehende Zentralbereich des Sterns kollabiert zur Atomkerndichte und entartet zum Neutronenstern oder zum Schwarzen Loch. Beim schlagartigen Abschluss des Implosionsvorgangs entstehen Schockwellen, welche die äusseren Schichten des Sterns mit einer Geschwindigkeit von 5000 bis 20 000 km/s in den interstellaren Raum hinausschleudern: es entsteht eine sich rasch ausdehnende Gaswolke. Supernova des Typs II gibt zwei Erscheinungsformen von Supernovä; sie werden als Typ I und Typ II klassifiziert. Typ I wird bei Sternen relativ geringer Masse beobachtet, die sich vorwiegend in ejliptischen Galaxien und in den Kernen von Spiralnebeln befinden. Typ II ereignet sich bei massereichen, jüngeren Sternen und führt zu einem zehn- bis hundertmal geringeren Energieausstoss. Die Unterscheidung erfolgt anhand von Spektrum und Lichtkurve. Bei der Explosion entstehen durch Neutronenaufnahme und negativen Betazerfall alle Elemente, die im Periodensystem oberhalb des Eisens liegen. Sie gelangen in interstellare Gas- und Staubwolken, bei deren Kollaps neue Sterne entstehen können. Das gesamte Inventar des Sonnensystems an Schwermetallen stammt von Sternen, die vor vielen Jahrmilliarden explodierten und deren Materie teilweise «rezykliert» wurde. Zufällig wurde die LMC im Februar mehrmals mit hochauflösenden Instrumenten photographie«. Es zeigte sich, dass die Supernova als Objekt der 6. Grössenklasse am 23. Februar um 09:00 Weltzeit erkannt werden konnte. Auf einer acht Stunden früher aufgenommenen Platte war der Vorgängerstern noch unverändert. Der Ausbruch muss also in der dazwischenliegenden Zeit begonnen haben. Innert 48 Stunden erhöhte sich die Helligkeit auf Grösse 4,5; am 28. Februar wurde das Maximum von 4,3 erreicht. Anfänglich leuchtete das Objekt stark blau; nach einer Woche sank der Ultraviolettanteil erheblich ab, parallel dazu stieg die Intensität der roten und infraroten Strahlung. Dies ist auf die expansionsbedingte Abkühlung der ausgestossenen Gaswolke zurückzuführen. In den ersten Spektren wurden die Balmerlinien des Wasserstoffs nachgewiesen, mit einer Blauverschiebung in Absorption und einer Rotverschiebung in Emission. Die Expansionsgeschwindigkeit betmg anfänglich 17 400 km/s, fiel aber innert zweier Wochen auf 10 000 km/s. Aus diesen Spektren wurde geschlossen, dass es sich bei «1987a» um eine Supernova des Typs II handelt. Den Spektren überlagert waren enge Absorptionslinien des Kalziums, Natriums und Kaliums, die von mindestens zwölf zwischen dem Objekt und uns liegenden, bisher nicht bekannten intergalaktischen und galaktischen Gaswolken herrühren. Neben sichtbarem Licht emittiert «1987a» auch Ultraviolett-, Radio- und Röntgenstrahlung. Auf Grund älterer Aufnahmen weiss man, dass es sich beim explodierten Stern um das Objekt Senduleak 69 202 oder einen Begleitstern handelt, einen Superriesen mit 30 bis 50 Sonnenmassen. Er erscheint Es tr. Die Struktur nichtkristalliner Festkörper ist seit Jahrzehnten ein kontroverses Thema. Zwei Modelle mit unzähligen Varianten stehen zur Diskussion: eine völlig ungeordnete Struktur einerseits, sehr kleine kristalline Bereiche mit dazwischenliegenden ungeordneten Zonen anderseits. Alle denkbaren physikalischen Verfahren wurden zur Klärung dieses Problems beigezogen, doch ein echter Konsens liess sich nicht erreichen. Immerhin waren alle bisherigen Versuche zum Nachweis kristalliner Zonen im Bereich von 30 nm und darunter erfolglos. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren zwei verschiedene Modelle weitgehend akzeptiert: ein kontinuierliches, ungeordnetes Netzwerk von Atomen für amorphe Halbleiter sowie eine sich ständig verändernde, aber dichte Raumpackung für metallische Gläser. Kürzlich beobachten Mitarbeiter der AT&T Bell Laboratories in amorphem Silizium Submikrokristallite im Grössenbereich von etwa 3 nm, welche die obigen Modelle in Frage stellen. Diese Submikrokristallite sind zu klein, um bei der konventionellen Röntgen- und Elektronenbeugung diskrete Diffraktionsmuster zu ergeben. Man ging darum von hochauflösenden, durchstrahlungs-elektronenmikroskopischen Bildern aus, die als optische Beugungsgitter verwendet wurden (Nature 325. 121 [1987]). Dabei wurden zur Abbildung nur die ersten Reflexe des Siliziums verwendet. Die so erhaltenen Bilder stellen getreue Abbildungen des untersuchten Kristallgitters dar; Reflexe höherer Ordnung müssen vermieden werden, weil sich die Linsenfehler des Objektivs dann stark bemerkbar machen. Unter Umständen werden die Phasenfehler so gross, dass die Bilder mehr instrumentelle Artefakte als brauchbare Abbildungen des Kristallgitters darstellen. Erschwerend bei der Untersuchung von Submikrokristalliten ist auch die Tatsache, dass die elektronenmikroskopische Abbildung eine zweidimensionale Projektion dreidimensionaler Ob- auf früheren Platten als Objekt der 12. Grössenklasse; durch den Supernovaausbruch erhöhte sich die Helligkeit um einen Faktor zweitausend. Neutrinos und Schwercwellen Von besonderer Bedeutung sind fünf Neutrinoimpulse, die am 23. Februar am italienischsowjetischen Neutrinoobseryatorium im Montblanc nachgewiesen wurden -und zweifellos Von «1987a» stammen. Die Energie dieser Neutrinos liegt oberhalb von 7 MeV. Neutrinos sind ein wichtiger Bestandteil der theoretischen Supernovamodelle und sind entscheiden für das d Verhalten der ausgestossenen Gaswolke. In den kommenden Wochen und Monaten wird es von grösstem Interesse sein, sowohl die Entwicklung dieser Wolke wie das Schicksal des Kerns zu verfolgen. Dank der extremen Helligkeit einer Supernova wird es auch möglich, die in der Sichtlinie befindliche intergalaktische Materie spektroskopisch zu untersuchen. Bisher fehlen genaue Häufigkeitsmessungen von seltenen Isotopen wie Lithium 7, das über die frühe stellare Nukleosynthese Auskunft gibt. Ausserdem ist das Verhältnis zwischen Kohlenstoff 13 und Kohlenstoff 12 für die chemische Evolution von Galaxien von Bedeutung. Mit der Strahlung von «1987a» dürfte es möglich werden, die bisher auf die unmittelbare Umgebung der Sonne beschränkten Isotopenmessungen bis zur Grossen Magellanschen Wolke auszudehnen. Beim Ausbruch der neuen Supernova war leider weltweit kein einziger supraleitender Gravitalionswellendetektor in Betrieb. Die Implosion eines stellaren Kerns sollte nämlich auf Grund der Relativitätstheorie starke Schwerewellen auslösen. Immerhin wurde das Ereignis von zwei weniger empfindlichen, mechanischen Detektoren registriert; die Auswertung dieser Daten steht noch aus. Die Supernova «1987a» wird weiterhin weltweit mit Grossteleskopen und unter Einsatz jedes verfügbaren astronomischen Satelliten untersucht. Im September 1987 soll am Hauptquartier der ESO (European Southern Observatory) in Garching bei München ein spezieller «Workshop» zur Interpretation der dabei erhaltenen Daten durchgeführt werden. ____ BÜROELEKTRONIK FÜR IHRE ZUKUNFT Unsere Bürogeräte helfen die Herausforderung der Zukunft zu bewältigen. Qualitativ hochstehende Technologie zu vernünftigen Preisen. Das ist unsere Devise. Eigentlich picht weiter erstaunlich, da wir uns doch zu den führenden Herstellern von Robotern zählen. Wenn e S i mehr über uns und unsere Produkte erfahren möchten, senden Sie uns bitte dieses Inserat. i fl\ Schreibmaschinen Schreibsysteme mit Bildschirm Fotokopierer Personalcomputer Matrixdrucker Typenraddrucker jekte darstellt. In einer solchen Projektion ist es fast unmöglich, viele einander überlagerte submikrokristalline Bereiche von einer wirklich ungeordneten Struktur zu unterscheiden. Selbst wenn die erwähnten instrumentellen Probleme überwunden werden, lässt sich ein eindeutiger Entscheid über die tatsächlich vorhandene Struktur kaum fällen. Bei AT&T wurden 1000 nm dicke Filme aus amorphem Silizium untersucht, die durch lonenätzen teilweise auf 10 nm reduziert wurden. Sie wurden durch Aufdampfen auf ein sauberes, kristallines Siliziumsubstrat gewonnen. Es ist bekannt, dass ein solches Substrat den Ordnungszustand eines darauf abgeschiedenene amorphen Films erheblich verbessert. Für diese Untersuchungen wurde ein Elektronenmikroskop der Firma JEOL mit dem ausserordentlich hohen Auflösungsvermögen von 0,15 bis 0,17 nm eingesetzt. Kleine Ausschnitte der mit diesem Instrument erhaltenen Bilder dienten als Beugungsgitter für einen Laserstrahl; so wurden zahlreiche, aus diskreten Bragg-Reflexen bestehende optische Beugungs- diagramme gefunden, die Bereiche des untersuchten Siliziumfilms von 5 nm Durchmesser darstellen. Somit war es erwiesen, dass die untersuchte Probe aus gegeneinander leicht verdrehten Submikrokristalliten mit einem Durchmesser von einigen Nanometern bestand. Dies liess sich durch holographische Bildrekonstruktion auf der Basis der optisch filtrierten Beugungsdiagramme bestätigen. Der vermeintlich amorphe Siliziumfilm bestand demnach fast vollständig aus einem Mosaik hochgradig geordneter Submikrokristallite. Die ungeordneten Zwischenräume umfassen einen Volumenanteil von weniger als Prozent. Elektronenspinresonanzmessungen ergaben zudem, dass dies nicht nur in einer Entfernung von einigen hundert Nanometern vom kristallinen Substrat gilt, sondern für den ganzen, 1000 nm messenden Quer1 schnitt des Siliziumfilms. Quasar mit einer Rotverschiebung von 4,01 tr. Die am weitesten entfernten teleskopisch nachweisbaren Objekte sind die sogenannten Quasare, das heisst Galaxien mit einem hochaktiven Kern. Auf Grund ihrer extremen Helligkeit sind sie noch in Entfernungen von mehreren Milliarden Lichtjahren sichtbar. Weil ihr Licht so lange unterwegs war, vermitteln uns Quasare Information über frühe Entwicklungsphasen des Universums und über die intergalaktische Materie, die auf dem Weg durchquert wurde. Quasare werden auf Grund der Rotverschiebung ihrer Spektrallinien gekennzeichnet. Diese durch den Dopplereffekt bewirkte Rotverschiebung ist um so grosser, je weiter entfernt das Objekt ist und je schneller es sich von uns entfernt. Der bisherige «Rekordhalter» war ein 1985 entdeckter Quasar, der eine Rotverschiebung von 3,80 aufwies. Mit dem in Australien aufgestellten britischen Schmidt-Teleskop gelang es nun Astronomen der Universität Cambridge einen Quasar mit einer Rotverschiebung von 4,01 nachzuweisen. Es wurden Platten in fünf Spektralbändern zwischen Violett und Infrarot aufgenommen. Die spektralen Charakteristiken von Quasaren ermöglichen eine relativ einfache Unterscheidung von schwachen Sternen unserer Galaxis, die auf dem breiten Sichtfeld der Schmidt-Kamera (30 Grad im Quadrat) in grosser Zahl vorhanden sind. Auf Grund seiner Himmelskoordinaten erhielt der neue Quasar die Bezeichnung 0046293: er liegt in unmittelbarer Nähe von drei bereits bekannten, ebenfalls sehr weit entfernten Quasaren und gehört zur 19. Grössenklasse. Ein mit dem Anglo- Australian Telescope aufgenommenes Spektrum umfasst Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Siliziumlinien; auf dieser Basis wurde die erwähnte Rotverschiebung von 4,01 berechnet. Sie entspricht einer Entfernung von 16 bis 20 Milliarden Lichtjahren. Der Quasar 0046-293 muss also innert der ersten Milliarde Jahre nach dem Urknall entstanden sein. -x _ Software Textverarbeitung Software(i Kleinbetriebe Software Adressverwaltung Software Finanzbuchhaltung Aktenvernichter Farbbänder Neue Zürcher Zeitung vom 18.03.1987 SILVER REED BÜROELEKTRONIK Silver Reed (Schweiz) AG Würzgrabenstrasse 6 / Postfach 8048 Zurich Telefon 01-432 52 51. Fax 432 00 34
