Jagd nach den Vorläufern der Supernovae Ia

Blick in die Forschung: Kurzberichte
Jagd nach den Vorläufern der Supernovae Ia
Sie sind eine wesentliche Stütze für die kosmische Entfernungsskala – dabei ist
noch nicht einmal gesichert, welche Sterne hier in einer gigantischen Explosion
vergehen. Sind es tatsächlich Weiße Zwerge, die als Supernovae Ia zerrissen werden?
Das Röntgenteleskop Chandra hilft nun, diese Vermutung zu überprüfen.
S
upernovae sind spektakuläre Stern-
die energiereichen Explosionswellen für
den Astronomen den Einsatz dieser »Stan-
explosionen,
Mengen
die Dynamik und die Entwicklung der Ga-
dardkerzen« zur Distanzmessung bis zu ei-
von Sternmaterie und Energie in die Um-
laxien selbst eine bedeutende Rolle; denn
ner Rotverschiebung von etwa z = 1,5 (ent-
gebung schleudern. Für wenige Wochen
Supernovae heizen ihre Galaxien auf.
sprechend einer Entfernung von mehr als
die
enorme
Es gibt eine Reihe unterschiedlicher
acht Milliarden Lichtjahren). Mit Hilfe sol-
Heimatgalaxie sein – und sogar heller
Typen von Supernovae – einer davon, ge-
cher Entfernungsmessungen können die
strahlen als die gesamte Galaxie.
nannt Typ Ia, ist insbesondere für die Kos-
Forscher auch Aussagen zur Struktur des
Den Mechanismus dieser Supernovae
mologie bedeutsam. Das liegt daran, dass
Universums machen, beispielsweise wie
zu ergründen, ist für viele Wissenschaft-
sich die absolute Helligkeit, also die Leucht-
viel Dunkle Materie und Dunkle Energie es
ler faszinierend. Sie analysieren die Explo-
kraft, der Supernovae dieses Typs aus der
enthält und wie die kosmische Expansion
sion einerseits experimentell – das heißt:
Form ihrer Lichtkurve, das heißt aus dem
verläuft – gebremst oder beschleunigt. Im
mit astronomischen Beobachtungen –
zeitlichen Verlauf ihrer scheinbaren Hel-
Jahre 1998 haben auf diese Weise zwei For-
und andererseits theo­retisch mit nume-
ligkeit ableiten lässt. Der Vergleich der so
schungsgruppen die beschleunigte Expan-
rischen Modellen, die sie an den größten
gewonnenen absoluten Helligkeit mit der
sion des Universums festgestellt.
Rechenanlagen berechnen. Solche Unter-
direkt gemessenen scheinbaren Hellig-
suchungen sind für viele Bereiche der As-
keit liefert dem Forscher eine Informati-
Weiße Zwerge als Vorläufer?
tronomie von Belang, weil in Supernovae
on über die Entfernung der Explosion von
Ursache der meisten Supernovae ist die
die meisten schweren Elemente im Kos-
der Erde. Die enorme Helligkeit der Super-
Explosion eines massereichen Sterns: Sein
mos produziert werden. Ferner spielen
novae (absolut etwa –19,7 mag) gestattet
ausgebrannter Kern kollabiert, und die
Axel M. Quetz/SuW-Grafik
können sie die hellsten Objekte in ihrer
Ein Weißer Zwerg verschlingt seinen benachbarten Riesenstern. Durch den
Drehimpuls der Sternmaterie bildet sich eine heiße, rotierende Materiescheibe um den Zwerg aus.
20
August 2008
Sterne und Weltraum
freigesetzte Gravitationsenergie sprengt
seine äußeren, hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestehenden Schichten auseinander. Bei den Supernovae vom
Typ Ia war schon lange klar, dass sie anders
sind. Denn in ihren Spektren fehlen Spuren der Elemente Wasserstoff und Helium
– stattdessen konnten die Astronomen Silizium, Kalzium und Eisen nachweisen.
Noch in anderer Hinsicht unterscheiden sich Supernovae Ia von anderen Typen: Sie treten nicht nur in jungen, sondern auch in alten Galaxien auf. Das
spricht bereits gegen die Explosion eines
massereichen Sterns, denn alte Galaxien
sollten keine massereichen (weil kurzlebigen) Sterne mehr enthalten.
Diese Indizien führten die Astronomen
zu dem Schluss, dass in Supernovae vom
Typ Ia so genannte Weiße Zwerge explodieren. Das sind Überbleibsel von massearmen Sternen, die vor allem aus Kohlenstoff und Sauerstoff bestehen. Weiße
Zwerge sind sehr kompakt: Sie sind nur
trotzdem so viel Masse wie unsere Sonne.
In ihrem Inneren findet keine Kernfusion
mehr statt. Dennoch sind sie stabil, denn
der Gravitationskraft, die den Weißen
Zwerg zusammenzudrücken sucht, wirkt
eine andere Kraft entgegen, die durch einen quantenmechanischen Effekt zu Stan-
ESO, künstlerische Darstellung
etwa so groß wie die Erde, enthalten aber
de kommt: Die Elektronen im Sternplasma lassen sich nicht beliebig komprimie-
Schließlich wird der Weiße Zwerg zu massereich und explodiert in einer Supernova Ia.
ren, denn infolge des Pauli-Prinzips können sich keine zwei Elektronen im gleichen Quantenzustand befinden. Aus die-
tronenstern oder Schwarzen Loch – führt,
In der zweiten Variante, dem »Zwei-
sem Grunde baut sich in der Materie des
bleibt nach einer Supernova Ia nichts üb-
Zwerge-Szenario«, besteht ein Doppel-
Weißen Zwergs ein Entartungsdruck auf,
rig: Sie wird restlos auseinandergerissen.
sternsystem aus zwei Weißen Zwergen,
welcher dem Druck der Gravitation entgegenwirkt.
Ein-Zwerg- und
Zwei-Zwerge-Szenario
Ein solches Gleichgewicht stellt sich je-
Wie kann es passieren, dass die Mas-
die sich gegenseitig umkreisen. Durch
se des Weißen Zwergs die kritische Grenze
Abstrahlung von Gravitationswellen ver-
überschreitet? Grundsätzlich gibt es dafür
liert das Doppelsternsystem im Laufe der
zwei Möglichkeiten; beide erfordern die
Zeit Energie und Drehimpuls, so dass sich
Anwesenheit eines Begleitsterns für den
die beiden Zwerge näher und näher kom-
Weißen Zwerg.
men, bis sie schließlich miteinander ver-
doch nur bis zu einer gewissen Obergrenze
In der ersten Variante, dem »Ein-Zwerg-
schmelzen. Falls die Summe ihrer Massen
der Masse ein: Oberhalb von 1,39 Sonnen­
Szenario«, ist der Begleitstern ein »norma-
die kritische Grenze von 1,39 Sonnenmas-
massen können die Kohlenstoff-Sauer-
ler« Stern. Wenn der Begleitstern während
sen überschreitet, explodieren sie nach
stoff-Zwerge durch den Entartungsdruck
seiner stellaren Entwicklung größer wird
der Verschmelzung als Supernova vom
nicht mehr stabilisiert werden. Die Gra-
(siehe SuW 7/2008, Seite 42 – 48) und seine
Typ Ia.
vitation gewinnt dann die Oberhand und
Oberfläche zu nahe an den Weißen Zwerg
Derzeit ist nicht bekannt, welches die-
führt zu einem Kollaps, in dem die mittel-
rückt, bewirkt die Gravitationskraft des
ser beiden Szenarien die Supernovae vom
schweren Elemente Kohlenstoff und Sau-
Zwergs einen Massen­überfluss vom Be-
Typ Ia erklärt – im Prinzip sind beide mög-
erstoff schlagartig zu Eisen fusioniert wer-
gleitstern auf den Zwerg (siehe Bild links).
lich. Dies stellt für die Theorie der Stern-
den. Die plötzlich freigesetzte Fusionsener-
Falls dieser Vorgang lange genug andauert,
explosionen ein großes Problem dar, weil
gie zerreißt den Weißen Zwerg. Im Gegen-
kann der Weiße Zwerg so viel an Masse ge-
die Kenntnis der Vorgeschichte der Explo-
satz zu den Supernovae vom Typ II, in de-
winnen, dass er die kritische Grenze über-
sion wesentlich ist, um etwa den Super-
nen der Kollaps eines massereichen Sterns
schreitet, kollabiert und als Supernova ex-
nova-Überrest und die nachfolgende An-
zu einem kompakten Relikt – einem Neu-
plodiert (Bild oben).
reicherung mit chemischen Elementen
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August 2008
21
Vorher-Nachher einer Supernova: Die
Chandra-Beobachtung von vor vier Jahren
Chandra vor der Supernova
zeigt am Ort der Supernova SN 2007on
eine Röntgenquelle (oben). Das Zentrum
der Wirtsgalaxie NGC 1404 der Supernova
D;K8;?
befindet sich am unteren Bildrand. Im Optischen wurde die Explosion eindeutig mit
dem NASA-Satelliten Swift nachgewiesen
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in Galaxien zu verstehen. Ein Verständnis
Physik in Garching und am Exzellenzclu-
der Vorgeschichte ist auch entscheidend,
ster Universe der Technischen Universi-
um die Supernovae als möglichst genaue
tät München hat nun zusammen mit dem
Werkzeuge für die Kosmologie nutzen zu
Autor einen neuen Weg gefunden, um die
können.
Vorläufer der Supernovae Ia direkt zu be-
Suchstrategien
obachten. Es gelang ihnen, viel weiter entfernte Vorläufer von Sternexplosionen zu
Das Rätsel um die Vorgeschichte der Ex-
untersuchen, als es bislang mit optischen
plosion motiviert zu einer Suche nach dem
Beobachtungen möglich war. Ihre Metho-
Vorläufer. Wie könnte man vorgehen?
de basiert auf Folgendem:
Der einfachste Weg für den Astro-
Wenn im Ein-Zwerg-Szenario der Wei-
nomen ist es abzuwarten, bis eine Super-
ße Zwerg Materie vom Nachbarstern auf-
Stefan Binnewies,
Wolfgang Steinicke,
Jens Moser
nova vom Typ Ia irgendwo aufleuchtet. So-
sammelt, dann bildet sich bei diesem Vor-
bald ihre Position am Himmel bekannt ist,
gang, Akkretion genannt, um den Zwerg ei-
NSternwarten
recherchiert der Forscher, ob auf älteren
ne Materiescheibe aus (Bild S. 20), die sich
95 astronomische Observatorien in aller Welt
Aufnahmen an dieser Stelle ein Vorläu-
auf sehr hohe Temperaturen aufheizt. Da-
ferstern zu erkennen ist. Diese Methode
durch strahlt sie energiereiche Röntgen-
funktioniert gut bei den Supernovae vom
strahlung ab. Derartige Strahlungsquellen
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Typ II, bei denen ein massereicher, heller
gehören zu den hellsten Röntgenstrahlern
Stern explodiert – er sollte auf den vor der
in einer Galaxie: Mit einem empfindlichen
Sternwarten sind als
»Fenster zum Himmel«
ganz besondere Orte – wissenschaftlich, architektonisch und historisch. Sie symbolisieren die Sehnsucht des Menschen, seinen Platz im Kosmos richtig
einordnen zu können. Der einzigartige Bildband fängt
diesen Geist auf. 95 Sternwarten auf fünf Kontinenten werden in Wort und Bild vorgestellt: von den
großen Refraktoren des 19. Jahrhunderts über die
riesigen Spiegel des 20. Jahrhunderts bis hin zu den
gigantischen Astronomie-Tempeln heutiger Zeit.
Explosion aufgenommenen Bildern gut zu
Röntgenteleskop können sie noch in einer
sehen sein. Bei Supernovae vom Typ Ia ist
Entfernung von etwa 50 Millionen Licht-
das Verfahren schwieriger, weil der voran-
jahren beobachtet werden.
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gegangene Weiße Zwerg klein und leucht-
Die Beobachtungsmethode hat nur
schwach ist. Bis vor Kurzem war es nicht
zwei Haken: Erstens explodieren inner-
gelungen, den Vorgänger einer Superno-
halb dieser Entfernung pro Jahr nur weni-
va vom Typ Ia auszumachen. Eine alterna-
ge Supernovae Ia; zweitens gibt es zur Zeit
tive Methode besteht darin, die Spektren
nur ein Röntgenteleskop, das hinreichend
der Sternexplosion nach Spuren des Vor-
empfindlich ist, nämlich das US-ameri-
läufersystems zu untersuchen. Dabei ha-
kanische Röntgenobservatorium Chand-
ben die Astronomen zwar Fortschritte ge-
ra, das auf einem Satelliten um die Erde
macht, doch ist dieses Verfahren zu indi-
kreist. Mit Chandra können nur so wenige
rekt, um daraus überzeugende Schlüsse zu
Galaxien beobachtet werden, dass in ih-
ziehen.
nen allen zusammen pro Jahr mit höch-
Eine internationale Forschergruppe am
stens einer Supernova Ia zu rechnen ist.
Max-Planck-Institut für extraterrestrische
Die Wissenschaftler haben lange darauf
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gewartet, dass sie mit Chandra einen Weißen Zwerg kurz vor der Explosion entde-
Zum Nachdenken
cken.
Am 5. November 2007 war es dann so
weit: Die Supernova mit der Katalogbezeichnung SN 2007on explodierte in einer
elliptischen Galaxie namens NGC 1404 in
Supernovae vom Typ Ia
D
er voranstehende Bericht schil­
Aufgabe 4: Beim Zwei-Zwerge-Szenario
dert Fortschritte bei der Suche
umkreisen einander vor der Supernova-
nach den Vorläufern von Supernovae
Explosion zwei Weiße Zwerge. Dieses
pernova einen ganzen Tag lang beobach-
vom Typ Ia. Zwar deuten die neuen
System emittiert Gravitationswellen. Sie
tet. Die Beobachtung war empfindlich ge-
Beobachtungen mit Hilfe des Röntgen-
entstehen auf andere Weise als elektro-
nug, um in so großer Entfernung einen ak-
satelliten Chandra auf das »Ein-Zwerg-
magnetische Wellen. Diese lassen sich
kretierenden Weißen Zwerg entdecken zu
Szenario« hin, bei dem ein Stern, der
bereits durch zwei entgegengesetzte La-
können. Und in der Tat stand am Ort der
sein maximales Volumen ausfüllt, und
dungen erzeugen, die einen elektrischen
späteren Supernova eine Röntgenquelle,
ein Weißer Zwerg einander umkreisen.
Dipol bilden. Jedoch gibt es bei der
deren Eigenschaften mit dem Ein-Zwerg-
Dennoch mag in anderen Fällen auch
Schwerkraftwechselwirkung keine nega-
Szenario konsistent waren! Dies schien
das »Zwei-Zwerge-Szenario« zutreffen,
tive Masse, mit deren Hilfe sich ein Gravi-
der erste eindeutige Nachweis des Vorläu-
bei dem zwei Weiße Zwerge umeinan-
tationsdipol aufbauen ließe. Die Emissi-
fers einer Supernova Ia zu sein. Das Zwei-
der kreisen.
on von Gravitationswellen erfordert eine
einer Entfernung von 60 Millionen Lichtjahren (siehe Bild links). Vier Jahre vor der
Explosion hatte Chandra den Ort der Su-
Zwerge-Szenario schied als Erklärung aus,
Im Folgenden sollen ein paar Ener-
kompliziertere Verteilung, ein periodisch
weil bei zwei umeinander rotierenden Wei-
giebetrachtungen zu solchen Superno-
veränderliches Quadrupolmoment. Die
ßen Zwergen keine starke Röntgenquelle
va-Explosionen und ihren Vorgängern
zu erwarten ist.
angestellt werden.
durch Gravitationswellen abgestrahlte
Leistung LG, analog zur elektromagnetischen Strahlung ebenfalls Leuchtkraft
Als jedoch die Astronomen bessere Bilder von der SN 2007on gemacht hatten,
Aufgabe 1: Bei der Supernova-Explosion
wurden Zweifel an der Interpretation ange-
wird ein großer Teil der Sternmaterie
meldet. Sie stellten fest, dass die Röntgen-
weggeschleudert. Man bestimme die
quelle nicht exakt an der gleichen Position
stand, wie die später optisch beobachtete
in der expandierenden Hülle steckende
kinetische Energie Ekin für einen Vor-
Supernova. Somit war ebenfalls nicht klar,
läuferstern von zwei Sonnenmassen
die Gravitationskonstante und c  2,998
ob die Röntgenquelle wirklich verschwun-
(m  2 MA), der die Hälfte seiner Ma-
3 108 m/s die Lichtgeschwindigkeit. Die
den war. Die Beobachtungsdaten könnten
terie bei der Explosion verliert. Die
mittlere Masse der Weißen Zwerge be-
auch so ausgelegt werden, dass sich zwei
Expan­sionsgeschwindigkeit der abge-
trage m  1 MA und r  0,003 AE, etwas
unterschiedliche Quellen am Himmel zu-
worfenen Hülle betrage typische yS 
10 000 km/s, die Sonnenmasse ist MA 
mehr als die Entfernung Erde–Mond, sei
fällig sehr nahe gekommen waren.
Warten auf das Heureka-Erlebnis
1,989 3 1030 kg.
genannt, lässt sich abschätzen mit:
64 G4 m 5
–– .
LG  –– ––
5 c5 r
( )
Dabei ist G  6,6743 3 10 –11 m3 kg–1 s–2
ihr Abstand vom Schwerezentrum. Die
Astronomische Einheit ist 1 AE  149,6
Millionen km. Man vergleiche mit der
Dennoch sprechen die Daten eher dafür,
Aufgabe 2: Durch Vergleich mit unserer
dass die erste Interpretation mit dem »Ein-
Sonne bestimme man die Leuchtkraft
Zwerg-Szenario« richtig ist. Weitere Rönt-
LSN einer Supernova, deren absolute
Aufgabe 5: Offenbar verliert das Stern-
genbeobachtungen werden zeigen, ob das
Helligkeit im Maximum MSN  –19,7
paar durch die Abstrahlung der Gravita-
Modell mit dem akkretierenden Weißen
mag erreicht. Die absolute Helligkeit
tionswellen Energie, die ihren Abstand
Zwerg wirklich Bestand hat und ob viel-
der Sonne ist MSonne  4,83 mag, ihre
voneinander verringert. Um welchen
leicht auch das »Zwei-Zwerge-Szenario«
Leuchtkraft ist: LA  3,826 3 1026 W.
Faktor ändert sich das Ergebnis, wenn
bei Supernovae vom Typ Ia vorkommt.
Der Zusammenhang zwischen Hellig-
der Abstand der beiden Weißen Zwerge
Leuchtkraft der Sonne.
Auch wenn im Fall von SN 2007on der
keit und Leuchtkraft ist durch LSN/LA 
auf a) die Hälfte bzw. b) ein Viertel ge-
vermeintliche Vorläufer keiner sein sollte,
dex[–(MSN  MSonne)/2,5 mag] gegeben,
schrumpft ist?
so verspricht doch die Methode große Fort-
mit der Abkürzung dex a  10a.
Axel M. Quetz
Ihre Lösungen senden Sie bitte
schritte im Verständnis der Supernovae Ia.
bis zum 15. August an:
Die Röntgenbeobachtungen mit Chandra
Aufgabe 3: Welche Energie emittiert die
laufen weiter, es werden immer mehr Ga-
Supernova nach ihrer Explosion inner-
Redak­tion SuW – Zum Nach­denken,
laxien beobachtet. Irgendwann werden die
halb a) von einem Tag beziehungsweise
Max-Planck-Institut für As­tro­no­mie,
Astronomen ein weiteres »Heureka«-Er-
b) von einem Jahr, wenn man konstante
Kö­nigstuhl 17, D-69117 Hei­­del­berg.
lebnis haben und möglicherweise eine Su-
Leuchtkraft voraussetzt und dazu den
Fax: (+49|0) 62 21–52 82 46.
pernova Ia entdecken, von deren heißem,
Wert des Helligkeitsmaximums verwen-
Einmal im Jahr werden unter den
akkretierenden Vorläufer eindeutige, aus-
det? Man vergleiche mit dem Ergebnis
erfolgreichen Lösern Preise verlost:
sagekräftige Röntgenbeobachtungen vor-
von Aufgabe 1.
siehe Seite 125.
liegen. www.astronomie-heute.de
Rasmus Voss
August 2008
23