SUPERNOVAE
Genauere Entfernung für Supernovae
von Hans Zekl
für astronews.com
27. Mai 2009

Astronomen der Nearby Supernova Factory haben eine Methode entdeckt, mit deren Hilfe man die Entfernung zu Supernovae vom Typ Ia genauer als bisher bestimmen kann. Die Sternenexplosionen dienen seit längerem als wichtige Entfernungsindikatoren und spielten auch bei der Entdeckung der Dunklen Energie eine wichtige Rolle. Genauere Daten könnten also auch hier neue Erkenntnisse liefern.

Der Rest einer Supernova vom Typ Ia in einer Aufnahme des Röntgenteleskops Chandra: Tycho Brahes Supernova von 1572 [mehr über Tychos Supernova]. Bild: NASA, CXO und P. Ruiz-Lapuente (University of Barcelona)

Entfernungsbestimmungen im Weltall sind schwierig. In den vergangenen Jahrzehnten haben Astronomen daher ein System entwickelt, mit dem man durch möglichst genau vermessene Objekte in relativer Nähe auf die Distanz zu immer weiter entfernten Objekten schließen kann. Man spricht auch von der kosmischen Entfernungsskala oder - leiter.

Für Entfernungen von über 100 Millionen Lichtjahren bleiben allerdings nur noch zwei Möglichkeiten: die allgemeine Fluchtbewegung der Galaxien aufgrund der Expansion des Universums und die Leuchtkraft von bestimmten explodierenden Sternen, nämlich Supernovae des Typs Ia. Mit deren Hilfe wird auch die Ausdehnungsrate des Universums und somit die Fluchtbewegung der Galaxien bestimmt. Sie spielten eine entscheidende Rolle bei der Entdeckung der sogenannten Dunklen Energie, die für die beobachtete beschleunigte Ausdehnung des Universums verantwortlich gemacht wird.

Supernovae vom Typ Ia entstehen, wenn ein Weißer Zwerg, der sich in einem engen Doppelsternsystem befindet, immer mehr Material von seinem Begleitstern abzieht. Dadurch nimmt die Masse des Zwerges ständig weiter zu.  Irgendwann übersteigt sie dann die sogenannte Chandrasekhar-Grenze von etwa 1,45 Sonnenmassen und es kommt in einer gewaltigen atomaren Kettenreaktion zur Fusion des Kohlenstoffs im Stern. Die Reaktion ist so heftig, dass es den Stern dabei vollständig zerreißt. Da die Explosion praktisch schlagartig einsetzt, sobald die Grenzmasse überschritten wird, explodieren die Sterne unter nahezu gleichen Bedingungen, werden deshalb auch alle gleich hell und eignen sich gut für Entfernungsmessungen.

Doch dies ist leider nicht die ganze Wahrheit: Die Chandrasekhar-Grenze ist in der Natur nicht so scharf, wie die Astronomen es sich wünschen würden. Der genaue Wert hängt von der Zusammensetzung des Weißen Zwergs ab. Je mehr schwere Elemente vor der Explosion vorhanden sind, umso höher liegt die Massengrenze. Außerdem verringert Staub, der sich zwischen Beobachter und Supernova befindet, die scheinbare Helligkeit. Diese Effekte müssen die Astronomen bei ihren Entfernungsbestimmungen korrigieren, so dass man bei den ermittelten Distanzen mit einem Fehler von acht bis zehn Prozent rechnen muss. 

Wie aber aber kann man die Bestimmung von Entfernungen mit Supernovae genauer machen? Forscher der Nearby Supernova Factory (SNFactory) aus den USA und Frankreich könnten jetzt auf eine wichtige Spur gestoßen sein.  Die Wissenschaftler fanden bei nahen Supernovae ein Verfahren, mit dem sich die tatsächliche Helligkeit der Typ Ia Supernovae genauer bestimmen lässt. Dazu werden in einer Nacht mehrere Helligkeitsverhältnisse zwischen jeweils zwei bestimmten Abschnitten des Spektrums einer Supernova gemessen. Der Fehler bei der Entfernungsbestimmung reduziert sich dadurch auf unter sechs Prozent - ohne dass irgendwelche physikalischen Annahmen gemacht werden.

"Um die beobachteten Helligkeiten zu korrigieren, suchten Astronomen immer nach Besonderheiten in den Spektren," beschreibt Stephen Bailey vom Laboratory of Nuclear and High-Energy Physics (LPNHE) in Paris das Vorgehen der Forschergruppe. "Aber sie konzentrierten sich dabei auf bekannte physikalische Zusammenhänge, etwa auf die Schwefel- und Siliziumlinien. In der Hochenergiephysik, aus der ich komme, haben wir es oft mit riesigen Datenmengen zu tun und suchen nach allem, was wir finden können. Ich beschloss, bei den Daten der SNFactory keine physikalischen Annahmen zu machen, sondern einfach nachzusehen, was mir die Spektren selbst erzählen können."

Offensichtlich gilt dieses entdeckte Helligkeitsverhältnis unabhängig von der Zusammensetzung des Sterns, dem Typ der Galaxie, in der er sich befindet und der Menge des dazwischen liegenden Staubs. Bislang sind die dafür verantwortlichen physikalischen Zusammenhänge nicht verstanden. Die Astronomen hoffen aber, dass das neue, genauere Verfahren zur Entfernungsbestimmung der Supernovae auch dabei helfen wird, mehr Licht auf das Phänomen der Dunklen Energie zu werfen.

Eine entscheidende Hürde haben die Forscher aber dafür noch zu nehmen. Die neue Methode wurde an relativ nahen explodierenden Sternen in einer Entfernung zwischen 260 und 1.200 Millionen Lichtjahren entwickelt, für die qualitativ gute Spektren vorliegen. Je weiter eine Supernova aber entfernt ist, desto schwieriger wird es, gute Spektren aufzunehmen. Die Astronomen hoffen daher auf fortschrittliche Teleskope auf der Erde und neue Weltraumteleskope, die ihnen ausreichend gute Spektren liefern können.