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SUPERNOVAE
Das Geheimnis von Cassiopeia A
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie
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30. Mai 2008

Der Supernova-Überrest Cassiopeia A gehört mit zu den am besten studierten Objekten am Himmel. Trotzdem bleibt noch so manche Frage offen. Mit einem cleveren Trick gelang es Astronomen nun die historische Supernova-Explosion quasi posthum zu studieren. Sie nutzen dazu das Lichtecho der damaligen Supernova und bestimmten so, was für ein Stern hier explodiert ist.

Cassiopeia A
 
Falschfarbenbild des Supernova-Überrestes Cassiopeia A. Das kompakte türkise Objekt (im Kästchen) ist der nur im Röntgenbereich sichtbare Neutronenstern. Bild: NASA / JPL-CalTec / O. Krause, MPIA [Großansicht und weitere Details in einem früheren Artikel]

Eine Supernova ist der spektakuläre Todeskampf eines massereichen Sterns, in dem er über wenige Tage und Wochen eine Galaxie wie das Milchstraßensystem mit seinen mehr als 100 Milliarden Sternen überstrahlt. Cassiopeia A ist einer der bekanntesten Überreste einer solchen Sternexplosion. Er besitzt eine helle, annähernd kreisförmige Struktur, eingebettet in Gas und Staub seiner interstellaren Umgebung.

An unserem Himmel erschien Cassiopeia A vor mehr als 300 Jahren als Folge einer Supernova-Explosion, die um das Jahr 1680 stattgefunden haben muss und möglicherweise von John Flamsteed, dem ersten Astronomer Royal in Greenwich, beobachtet wurde. Seither expandiert der Überrest mit hoher Geschwindigkeit. Für die Astronomen ist Cassiopeia A ein einzigartiges "Labor", in dem sich die Explosionswolke einer Supernova und deren Wechselwirkung mit der diffusen Materie in ihrer Umgebung studieren lässt.

Es gibt verschiedene Typen von Supernovae, die sich in charakterisischen Eigenschaften ihrer Spektren unterscheiden. Leider treten Supernovae äußerst selten auf und seit der Einführung moderner Beobachtungsmethoden hat sich kein derartiger Ausbruch in unserer Milchstraße ereignet. Supernova-Ausbrüche konnten daher im Detail bisher nur in fernen Galaxien untersucht werden und es gab bisher keine Möglichkeit, die Ergebnisse der detaillierten Studien, die sich an einem nahen Supernova-Überrest durchführen lassen, mit den Eigenschaften einer spektroskopisch untersuchten Supernova zu verknüpfen.

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Doch das könnte sich nun ändern: Der Überrest Cassiopeia A liegt vor unserer kosmischen Haustür, nur elftausend Lichtjahre von der Erde entfernt, und ist daher eines der am besten untersuchten Objekte am irdischen Nachthimmel. Als die Supernova vor mehr als elftausend Jahren explodierte, sandte sie ihr helles Licht nach allen Richtungen aus. Dieses Licht passierte die Erde im 17. Jahrhundert und schien danach für uns auf ewig verloren. Die "posthume" Spektroskopie der längst verblassten Supernova gelang nun, weil die Astronomen mehrere kurzlebige Reflexe des damaligen Lichtblitzes an Staub- und Gaswolken in der Umgebung von Cassiopeia A erwischten: Der Umweg einiger Lichtbündel über die Reflexion an diesen Wolken hatte aufgrund der endlichen Geschwindigkeit des Lichtes zu derartigen Verzögerungen geführt, dass sie die Erde erst heute erreichen – so wurden die Forscher jetzt im Nachhinein Zeugen des damaligen Geschehens.

Damit konnte erstmals das Licht einer galaktischen Supernova mit modernen spektroskopischen Methoden analysiert werden. Dies ermöglicht nun die sichere Bestimmung der Supernova; und es wirft neues Licht auf das umfangreiche, im Laufe der Jahrzehnte in ihrem berühmten Überrest angesammelte Datenmaterial. Die Untersuchungen wurden von Forschern des Max-Planck-Instituts für Astronomie zusammen mit japanischen und amerikanischen Kollegen unter der Leitung von Oliver Krause durchgeführt.

Bereits 2005 hatten sie unter Einsatz des Weltraumteleskops Spitzer eine Reihe von infraroten "Lichtechos" gefunden: Sobald Verdichtungen im interstellaren Staub vom Lichtblitz der Supernova erreicht und aufgeheizt werden, geben sie ihre Wärmestrahlung für einige Tage und Wochen im Infraroten ab: Die infraroten Lichtechos markieren die aktuelle Lage der radial nach außen laufenden Lichtfront. Die Astronomen verwendeten nun die infraroten Echos in Cassiopeia A als Indikatoren, um die viel schwächeren optischen Lichtechos mit den Teleskopen auf dem Calar Alto in Spanien aufzuspüren.

Die optischen Lichtechos bestehen aus dem ursprünglichen, an den Staubverdichtungen nur gestreuten Licht der Supernova und enthalten deshalb die gesamte spektroskopische Information über die ursprüngliche Sternexplosion. Sobald die optischen Lichtechos gefunden waren, war schnelles Handeln geboten, denn die Echos leuchten an einem Ort nur für wenige Wochen auf – so lange eben, wie die damalige Supernova etwa ihre maximale Helligkeit besaß.

Mit dem japanischen 8-Meter-Teleskop Subaru auf Hawaii wurde ein optisches Spektrum der Echos aufgenommen, das nun die Klassifikation der längst vergangenen Supernova erlaubt: Im Spektrum treten sowohl Wasserstoff- als auch Heliumlinien auf – damit ist erwiesen, dass die Supernova von vor mehr als 300 Jahren vom seltenen Typ IIb war. Solche Supernovae entstehen dadurch, dass ein Roter Überriese, ein massereicher Stern am Ende seines Lebens, nach vorherigem Verlust eines Großteils seiner äußeren wasserstoffreichen Hülle einen Kollaps seines inneren, heliumreichen Kerns erfährt: Er kollabiert unter seiner eigenen Last und wirft dabei einen Teil der verbliebenen Hülle schlagartig ab.

Zurück bleibt - wie in diesem Fall - ein Neutronenstern, oder ein Schwarzes Loch. Das ins All geschleuderte Material enthält vor allem Helium und Wasserstoff, deren Linien im Spektrum der Supernova erscheinen. Es entfernt sich mit vielen Tausend Kilometern pro Sekunde in alle Richtungen und wechselwirkt heftig mit der interstellaren Materie in der Umgebung. Das dabei entstehende hochgradig angeregte Gemisch aus stellarer und interstellarer Materie bildet den Supernova-Überrest.

Nun lassen sich die vielen in der Vergangenheit gesammelten Beobachtungen von Cassiopeia A diesem speziellen, seltenen Explosionsmechanismus zuordnen: Manche Details gewinnen dadurch eine ganz neue Bedeutung. Zum Beispiel schien es bisher merkwürdig, dass von der Supernova, die den Überrest Cassiopeia A entstehen ließ, kaum Zeugnisse überliefert sind. Möglicherweise war sie identisch mit dem Stern, von dem der Astronomer Royal John Flamsteed 1680 in Greenwich berichtete: Er konnte den Stern allerdings nur ein einziges Mal und mit Mühe erkennen.

Da wir jetzt aber wissen, dass es eine Supernova vom Typ IIb war, lässt sich dies besser verstehen: Solche Supernovae werden besonders schnell schwächer - da reichen ein paar bewölkte Nächte, um den Mangel an Beobachtungsberichten zu erklären. Lichtechos wurden schon früher zur Untersuchung von Supernovae in fernen, extragalaktischen Systemen genutzt. Zusammen mit dieser Studie eines nahen und mit anderen Methoden bereits ausgiebig beobachteten Falls erweist sich nun die ganze Wirksamkeit dieser trickreichen Methode.

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siehe auch
Spitzer: Staubiger Supernova-Überrest - 22. Dezember 2007
Cassiopeia A: Ein recht lebendiger "toter" Stern - 10. Juni 2005
Chandra: Wiedersehen mit Cassiopeia A - 31. August 2004
Hubble Heritage: Farbenpracht in Cassiopeia A - 4. Juli 2002
XMM-Newton: Scharfer Blick auf Supernova-Überrest - 29. November 2001
Links im WWW
Max-Planck-Institut für Astronomie
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