Lichtechos geben Einblick in die aktive Vergangenheit von

Krause, Oliver et al. | Lichtechos geben Einblick in die aktive Vergangenheit von Cassiopeia A
Tätigkeitsbericht 2006
Astronomie/Astrophysik
Lichtechos geben Einblick in die aktive Vergangenheit von
Cassiopeia A
Krause, Oliver; Birkmann, Stephan; Quanz, Sascha
Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg
Abteilung - Stern- und Planetenentstehung
Korrespondierender Autor
Krause, Oliver, E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Cassiopeia A ist der jüngste bekannte Supernova-Überrest in unserer Galaxis. Von Menschen unbeobachtet, muss er um 1680 explodiert sein. Der rund 11000 Lichtjahre entfernte Nebel gehört zu den
meist untersuchten Himmelskörpern. Im infraroten Spektralbereich ist es nun gelungen, Lichtechos um
den Supernova-Überrest zu entdecken. Diese stammen von interstellarem Staub, der durch den Lichtblitz der Supernovaexplosion und durch Strahlungsausbrüche des neu entstandenen Neutronensterns
geheizt wurde.
Abstract
Cassiopeia A is the youngest known supernova remnant in our Galaxy. Although unrecorded at the
time, it must have exploded around 1680. The nebula, lying at a distance of about 11000 light years, is
one of the best-studied celestial objects. Astronomers succeeded in detecting light echoes in the infrared range around the supernova remnant. These originate from interstellar dust that was heated by the
flash of the supernova explosion and by flares of the central neutron star.
Der Nebel Cassiopeia A (Abb. 1) ist wahrscheinlich entstanden, als ein Stern mit etwa 20 Sonnenmassen seinen Brennstoff verbraucht hatte und als Supernova vom Typ II explodierte. Dabei wurde seine
äußere Hülle ins All geschleudert, während der zentrale Kern zu einem Neutronenstern mit etwa 20
Kilometer Durchmesser zusammenbrach. Das Alter dieses Supernova-Überrestes von ungefähr 325
Jahren lässt sich aus der Geschwindigkeit und Ausdehnung der Wolke ermitteln.
© 2007 Max-Planck-Gesellschaft
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Abb. 1: Falschfarbenbild von Cassiopeia A, aufgenommen mit dem Röntgensatelliten CHANDRA (blau und
grün), dem Weltraumteleskop HUBBLE im Optischen (gelb) und mit dem Weltraumteleskop SPITZER im mittleren Infrarot (rot). Sterne und das von der Supernova-Explosion mit schweren Elementen angereicherte Gas
leuchten besonders im Optischen, während die Emission im Infraroten warmen Staub im Überrest zeigt. Der
zentrale Neutronenstern (Kästchen) ist nur im Röntgenbereich erkennbar.
Urheber: NASA/JPL-Caltech/Oliver Krause, University of Arizona
Das Astronomenteam beobachtete Cassiopeia A erstmals im November 2003 mit dem Weltraumteleskop Spitzer im Infraroten bei 24, 70 und 160 µm Wellenlänge. Auf der 24-µm-Aufnahme fielen
zwei helle bogenförmige Wolken auf, die sich auf entgegengesetzten Seiten des Zentralkörpers in
45 beziehungsweise 36 Lichtjahren Entfernung befinden. Um sie näher zu studieren, unternahm das
Team Nachbeobachtungen dieser „lobes“ mit dem Multiple Mirror Telescope auf dem Mount Hopkins und dem 3.5-m-Teleskop des Calar-Alto-Observatoriums. Diese Infrarotaufnahmen zeigten, dass
sich scheinbar einige der in den Filamanten befindlichen Strukturen mit erheblicher Geschwindigkeit
bewegt hatten (Abb. 2). Würde es sich dabei um eine reale Bewegung von Staubwolken handeln, so
müssten diese etwa 50 % der Lichtgeschwindigkeit schnell sein. So hohe Geschwindigkeiten hat man
in vergleichbaren Fällen noch nie beobachtet. Daraufhin beobachteten die Wissenschaftler Cassiopeia
A im Dezember 2004 erneut mit SPITZER – auch auf diesen Aufnahmen fanden sich signifikante
Veränderungen im Vergleich zu den ein Jahr zuvor gewonnenen Bildern (Abb. 3 und 4).
Abb. 2: Scheinbare Bewegung eines Staubfilaments, aufgenommen (a) im Mai 2004, (b) im Oktober 2004, (c) im
Januar 2005 bei 2.2 µm Wellenlänge. Verwendet wurden hierfür das Multiple Mirror Telescope (a) und das 3.5m-Teleskop des Calar-Alto-Observatoriums (b, c).
Urheber: Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg
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Mit realen Bewegungen der Staubwolken waren diese Unterschiede wegen der extrem hohen Geschwindigkeiten nicht erklärbar. Die Astronomen sehen in dieser Erscheinung ein Lichtecho: Der
zentrale Neutronenstern hatte einen Ausbruch energiereicher Strahlung, vermutlich im Gamma- und
Röntgenbereich. Dieser Lichtblitz breitete sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus und traf dabei
nacheinander auf die zufällig verteilten Wolken von Gas und Staub in dem Supernova-Überrest. Der
Staub erwärmt sich dabei und leuchtet im Infraroten, bis er wieder abgekühlt ist. Währenddessen
entfernt sich der Lichtblitz weiter vom Zentralstern. Im Laufe der Zeit ergibt sich so eine Spur von
aufleuchtenden und wieder erlöschenden Staubfilamenten. Sie markieren gewissermaßen die Ausbreitungsfront des Strahlungsblitzes und täuschen eine reale Bewegung der Filamente nur vor.
Mit einem einfachen räumlichen Modell ließ sich aus den beobachteten scheinbaren Bewegungen der
Wolken ableiten, wann der Helligkeitsausbruch stattgefunden haben muss. Eine genaue Analyse zeigte: In Cassiopeia A gibt es mindestens zwei voneinander unabhängige Echos. Eines scheint von der
Supernova-Explosion aus dem Jahre 1680 selbst zu stammen, das andere von erst kürzlich erfolgten
Ausbrüchen, von denen einer um 1953 stattgefunden haben muss.
Ein solches Verhalten deutet darauf hin, dass es sich bei der zentralen Quelle in Cassiopeia A um einen
„Soft gamma repeater“ handelt. Das sind vermutlich Neutronensterne mit starken Magnetfeldern, auch
Magnetare genannt. Die Ursache der Ausbrüche ist nicht zweifelsfrei bekannt. Nach einer Theorie
kann bei diesen Objekten das extrem starke Magnetfeld dazu führen, dass sich in der Kruste des Neutronensterns Beben ereignen, die zu gewaltigen Ausbrüchen von Gammastrahlung führen.
Abb. 3: Die Umgebung von Cassiopeia A bei einer Wellenlänge von 24 µm, aufgenommen mit SPITZER am 30.
November 2003 (blau) und am 2. Dezember 2004 (orange). Unveränderte Strukturen – wie der Überrest selbst
und große Teile des galaktischen Zirrus – erscheinen weiß. Das Infrarotecho außerhalb des kreisrunden, weißen
Überrestes ist als farbige (blau und orange), bipolare Struktur zu erkennen, die sich vom Zentrum der Supernova
weg zu bewegen scheint.
Urheber: NASA/JPL-Caltech/Oliver Krause, University of Arizona
Bislang sind nur sehr wenige Magnetare bekannt. Sollten die Astronomen im Zentrum von Cassiopeia A tatsächlich solch ein Objekt entdeckt haben, so wird es das erste sein, von dem genau bekannt
ist, wann und aus was für einem Stern es entstanden ist. In diesem Zusammenhang ist auch die Frage
nach der Ursache der beiden bogenförmigen Staubfilamente von Interesse. Diese bipolare Struktur
deutet darauf hin, dass die anregende Energiewelle gebündelt und gerichtet aufgetreten ist. Es ist auch
möglich, dass das nun zum Leuchten angeregte Material selbst die beobachtete, vornehmlich bipolare Verteilung hat. Dies ließe sich durch starke, kollimierte Winde des massereichen Sterns vor seiner
Explosion erklären.
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Abb. 4: Bilder von einer der beiden bogenförmigen Wolken, aufgenommen bei 24 µm Wellenlänge mit SPITZER
im Abstand von einem Jahr. Die morphologischen Veränderungen sind deutlich erkennbar.
Urheber: Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg
Zusätzliche Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop SPITZER gaben neue Hinweise auf den Ursprung der Lichtechos. So zeigt eine kürzlich gewonnene, noch größere 24-µm-Aufnahme Lichtechos
bis zu einer projizierten Entfernung von mehr als 300 Lichtjahren um den Supernova-Überrest. Auch
für diese neu entdeckten Filamente bestätigen bodengebundene Nachbeobachtungen im nahen Infraroten die schon für die näheren Echos gefundenen schnellen scheinbaren Bewegungen. Im Oktober
2005 gelang es außerdem erstmals, die bisher nur im Infraroten beobachteten Echos auch bei visuellen
Wellenlängen nachzuweisen.
Zukünftig sind weitere Beobachtungen geplant, unter anderem auch Spektroskopie von einigen besonders hellen Filamenten. Da es sich bei der im Optischen beobachteten Emission höchstwahrscheinlich
um an Staubpartikeln gestreutes Licht der Explosion von 1680 handelt, ließe sich aus einem Spektrum
der genaue Typ der Supernova ableiten – mehr als drei Jahrhunderte, nachdem das Licht der Explosion
die Erde erstmals erreichte. Dies wäre eine weitere spektakuläre Entdeckung. Sie würde es uns ermöglichen, den sehr gut erforschten Überrest von Cassiopeia A mit der Physik der Explosion zu verknüpfen.
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