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SUPERNOVAE
Die Folgen der Asymmetrie
von Hans Zekl
für astronews.com
25. August 2003

Supernova-Explosionen sind so hell, dass sie auch in weit entfernten Galaxien zu sehen sind. Deswegen werden sie gerne zur Entfernungsbestimmung verwendet. Jetzt konnte ein internationales Astronomenteam zeigen, dass die so gemessenen Entfernungen mit einem bislang nicht bekannten Fehler behaftet sind. Berücksichtigt man diesen jedoch bei der Messung, kann man die Entfernung genauer als je zuvor bestimmen.

NGC 1448

Spiralgalaxie NGC 1448 und SN 2001el. Foto: ESO

In einem alten Popsong von Joni Mitchell heißt es "We are stardust…" – Wir sind Sternenstaub. Tatsächlich erkannten die Astronomen in den letzten Jahrzehnten, dass wir alle aus den Überresten längst vergangener Sterne bestehen. Als vor etwa 14 Milliarden Jahren das Universum entstand, gab es anfangs keine schweren Elemente. Fast die gesamte Materie bestand aus den beiden leichtesten Elementen Wasserstoff und Helium. Es gab keinen Kohlenstoff, Sauerstoff oder Eisen. Diese wurden von den ersten Sterngenerationen tief in ihrem Inneren durch die Verschmelzung leichterer Atomkerne erzeugt. In gewaltigen Explosionen – Supernova-Explosionen – wurden die neuen Atome schließlich in das Weltall geschleudert. Daraus entstanden später die Sterne und Planeten, die wir heute kennen, und somit auch wir.

Supernovae waren und sind somit für die Entwicklung des Universums von großer Bedeutung. Die Astronomen unterscheiden zwei Grundtypen von Supernovae. Die eine Gruppe wird von massereichen Sternen gebildet, die am Ende ihres Lebens allen nuklearen Brennstoff in ihrem Inneren verbraucht haben. Solange das atomare Feuer im Zentrum des Sterns brennt, kann der Druck, der durch die gewaltige Hitze von mehreren Milliarden Grad entsteht, dem Gewicht der über dem Kern des Sterns liegenden Materie Widerstand leisten. Ist aber der Brennstoff verbraucht, bricht das Sternzentrum innerhalb von Sekunden unter dem Gewicht der darüber liegenden Materie zusammen. Der Kern wird dabei extrem verdichtet und heizt sich noch weiter auf. Schließlich "zerbrechen" dabei die Atomkerne und durch noch nicht vollständig verstandene Prozesse, wird ein Großteil des Sterns ins All geschleudert. Zurück bleibt ein schnell rotierender Neutronenstern oder ein Schwarze Loch.

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Bei der zweiten Gruppe existiert vor der Explosion ein massearmer alter Stern, der ebenfalls seinen Brennstoffvorrat verbraucht hat. Er endete als Weißer Zwerg - also als ein Stern mit etwa der Masse der Sonne, der auf die Größe der Erde zusammengepresst ist. Befindet sich aber der Stern in einem Doppelsternsystem, kann Gas von dem anderen Objekt auf den Weißen Zwerg strömen, falls der Abstand klein genug ist. Langsam wächst dadurch die Masse des Weißen Zwergs an. Sobald ein kritischer Wert überschritten wird, bricht auch er unter dem Gewicht der Hülle zusammen. In diesem Moment zündet wieder die nukleare Verbrennung. Allerdings gerät sie sofort außer Kontrolle und der Stern wird in einer gewaltigen Supernovaexplosion vollständig zerrissen.

Für die Astronomen sind diese Supernovae vom Typ Ia besonders interessant, weil sie alle die gleiche absolute Helligkeit haben, d.h. aus derselben Entfernung erscheinen sie alle gleich hell. Damit sind sie ideale "Standardkerzen", um Entfernungen im Weltall zu messen. Je schwächer die Supernova erscheint, umso weiter weg ist sie. Eine Supernova leuchtet so hell auf, dass man sie noch über Entfernungen von Hunderten von Millionen Lichtjahren sehen kann. Im Maximum leuchten sie so stark, dass sie das Licht ihrer Galaxie überstrahlen.

In den letzten Jahren ergaben die Beobachtungen an Supernovae, dass das Universum sich offensichtlich immer schneller ausdehnt. Theoretiker sehen dies als Hinweis auf die Existenz einer Dunklen Energie an, die sich in einigen theoretischen Modellen des Universums als beschleunigende Kraft bemerkbar macht. Allerdings fand nun ein internationales Astronomenteam um Lifan Wang vom Lawrence Berkeley National Laboratory heraus, dass die Standardkerzen doch nicht immer die gleiche Helligkeit haben. Ihre Messungen am Very Large Telescope (VLT) der europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile, zeigen zum ersten Mal eindeutig, dass die Sternexplosion asymmetrisch, nicht kugelförmig, erfolgt. Damit hängt die scheinbare Helligkeit aber vom Blickwinkel ab, unter dem die Explosionswolke gesehen wird. Da dieser Winkel aber nicht bekannt ist, sind die gemessenen Entfernungen mit einer gewissen Unsicherheit behaftet.

Um die Asymmetrie zu messen, griffen die Wissenschaftler zu einem Trick: Sie bestimmten die Polarisation des Lichts. Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen, die in jeder beliebigen Richtung schwingen. Wenn aber Licht reflektiert oder gestreut wird, werden bestimmte Orientierungen bevorzugt. Dadurch können polarisierende Sonnenbrillen helle Reflexe auf Wasseroberflächen wegfiltern. Das Licht, das eine Explosionswolke durchläuft, enthält somit Informationen über die Orientierung der streuenden Materie. In einer kugelförmigen Explosionswolke mitteln sich diese wieder weg. Ist die Wolke aber unsymmetrisch, zeigt das Licht einen gewissen Polarisationsgrad.

Im September 2001 leuchtete die Supernova SN 2001el in der 60 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie NGC 1448 auf. Etwa eine Woche bevor die Supernova ihre größte Helligkeit erreichte, konnte eindeutig eine schwache Polarisation des Lichts gemessen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die kleine Achse der Explosionswolke 10% kürzer ist als die große. Etwa eine Woche nach dem Maximum konnte dagegen keine Polarisation mehr gemessen werden. Anfangs, wenn sich das Gas mit rund 10.000 Kilometer pro Sekunde vom Zentrum der Explosion entfernt, ist die Wolke noch ziemlich kompakt, undurchsichtig und asymmetrisch. Später werden die äußeren Schichten dünner und durchsichtig und man blickt auf weiter innen liegende Bereiche der Explosion, die dann offensichtlich wieder symmetrischer – kugelförmiger - sind.

Da bislang die Entfernung über die Maximalhelligkeit einer Supernova gemessen wurde, zeigen diese neuen Beobachtungen, dass die absolute Helligkeit mit einem Fehler von etwa zehn Prozent behaftet sind, wenn man keine Korrektur für den Blickwinkel durchführt. "Wenn alle Typ Ia Supernovae wie SN 2001el sind, würde das einen großen Teil der Streuung der gemessenen Helligkeiten erklären. Dann können sie aber noch einheitlicher sein als wir dachten", kommentierte Lifan Wang die Ergebnisse.

Verwendet man die Helligkeit etwa ein bis zwei Wochen nach dem Maximum, kommt das Licht wieder aus einem kugelförmigen Gebiet und die Fehler durch den unbekannten Blickwinkel verschwinden. Somit könne Typ Ia Supernovae durch eine kleine Änderung der Beobachtungsmethode noch besser als Entfernungsmesser dienen und Rückschlüsse auf die mysteriöse Gegenkraft der Gravitation zulassen, der Dunklen Energie. "Das ist sehr wichtig für die nächste Generation der Supernova-Experimente, die messen wollen, ob sich die Dunkle Energie mit der Zeit ändert", stellte Lifan Wang fest.

Links im WWW
ESO, Europäische Südsternwarte
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