INTEGRAL
Der Zündfunke einer Supernova
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik
astronews.com
5. August 2014

Bei Beobachtungen einer Supernova-Explosion mit dem Weltraumobservatorium INTEGRAL haben Astronomen ein überraschendes Signal im Gammastrahlenbereich entdeckt: Das Signal stammt offenbar von der Oberfläche des Materials, das durch die Explosion herausgeschleudert wurde und stellt damit das gängige Explosionsmodell für Supernovae vom Typ Ia infrage.

Künstlerische Darstellung eines Binärsystems, in dem Masse von einem Begleiter auf einen Weißen Zwerg übertragen wird. Sobald sich genügend Materie auf der Oberfläche des Zwergsterns angesammelt hat, kann dies eine Kernexplosion auszulösen, die wiederum das katastrophale Kernbrennen entzündet, die zur Zerstörung des Weißen Zwergsterns führt. Bild: European Space Agency und Justyn R. Maund (University of Cambridge)

Im Januar leuchtete in der nahe gelegenen Starburst-Galaxie M82 eine Supernova-Explosion auf, die den Namen SN2014J erhielt. Nur zwei Wochen später konnten Astronomen Daten dieses Objekts mit dem Weltraumteleskop INTEGRAL aufnehmen, und sie entdeckten dort zwei charakteristische Gammalinien eines radioaktiven Isotops von Nickel.

Supernovae sind riesige Kernfusionsöfen, und die Wissenschaftler gehen allgemein davon aus, dass die Atomkerne das Hauptprodukt der Kernfusion im Inneren des Supernova sind. Das radioaktive Nickel wird vor allem im Zentrum des explodierenden weißen Zwergsterns erzeugt und entzieht sich daher einer direkten Beobachtung. Im Laufe der Explosion verdünnt sich die gesamte Sternmaterie, die äußeren Schichten werden immer transparenter und nach einigen Wochen bis Monaten sollte auch Gammastrahlen aus der Nickel-Zerfallskette beobachtbar sein.

Als die Astronomen die aktuellen Daten überprüften, fanden sie jedoch bereits 15 Tage nach der Explosion Spuren des Zerfalls von radioaktivem Nickel. Damit muss sich das beobachtete Material in der Nähe der Oberfläche der Explosion befunden haben - ein überraschender Befund.

"Dieses überraschende Signal stellte uns vor ein Rätsel", beschreibt Roland Diehl vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Hauptautor der Studie und verantwortlicher Wissenschaftler des INTEGRAL-Spektrometer Instruments. "Aber wir konnten keine Fehler finden; die Gammalinien von ⁵⁶Ni wurden wie vom radioaktiven Zerfall erwartet innerhalb weniger Tage schwächer und kamen eindeutig aus der Richtung der Supernova", erklärt er das Ergebnis ihrer Analyse der Beobachtungsdaten.

Das Expertenteam am MPE zur Analyse von Gammalinien entwickelt seit vielen Jahren spezielle Methoden für die hochauflösende Spektroskopie. Diese wurde bereits erfolgreich bei der Untersuchung der Nukleosynthese in der gesamten Milchstraße sowie beim Supernovaüberrest Cassiopeia A angewendet - und nun bei den jüngsten Supernova-Beobachtungen.

Supernovae vom Typ Ia entstehen, so die gängige Theorie der Astronomen, in Doppelsternsystemen, in denen ein Weißer Zwergstern von einem massereicheren Begleiter in geringem Abstand umrundet wird, so dass Material auf die Oberfläche des Weißen Zwergs fließt. Zur Explosion sollte es in dem Moment kommen, in dem der Weiße Zwerg durch den Materiezufluss eine kritische Masse erreicht hat. Alternativ wird für Supernovae dieser Art aber seit einige Zeit auch die Kollision von zwei Weißen Zwergen diskutiert. Das Verständnis der Explosionen vom Typ Ia ist auch deshalb von großer Bedeutung für die Astronomen, weil sie zur Entfernungsbestimmung eingesetzt werden.

"Wir wissen, dass eine Supernova den Weißen Zwergstern innerhalb einer Sekunde verbrennt; aber wir sind uns nicht sicher, wie die Explosion gezündet wird", erklärt Wolfgang Hillebrandt, Mitautor der Studie am Max-Planck-Institut für Astrophysik. "Das Eingreifen des Begleitsterns scheint zwingend erforderlich zu sein", fährt er fort. "Eine Weile glaubten wir, dass nur diejenigen Weißen Zwerge explodieren, die mit Material vom Begleitstern über eine kritische Grenzmasse hinaus überladen werden." Dann allerdings würde die Explosion im Kern des Weißen Zwergs gezündet werden; auf der Außenseite sollten keine Kernfusionsprodukte zu sehen sein.

Diehl, Hillebrandt und ihre Kollegen haben im Rahmen ihrer Studie verschiedene Methoden der Datenanalyse und zudem diverse Szenarien für Supernova-Explosionen untersucht und in einem Fachartikel in der Wissenschaftszeitschrift Science dargestellt. Zusammenfassend schließen sie, dass diese Gammastrahlen neue Informationen darüber liefern, wie der Materialfluss von einem Begleitstern eine solche Supernova von außen entzünden kann - ohne die Notwendigkeit, zuerst eine kritische Massengrenze für weiße Zwergsterne zu überschreiten.

Aufgrund des frühen Erscheinens der Nickel-Gammastrahlen scheint es, dass sich ein geringer Teil der äußeren Materie, die von dem Begleitstern akkretiert wurde, entzündete und zu Fusionsasche verbrannte, einschließlich des beobachteten Nickel. Diese primäre Explosion löste dann die eigentliche Supernova aus, die auch mit vielen Teleskopen in anderen Wellenlängenbereichen beobachtet wurde; in jenen Daten erscheint hingegen die Supernova "ganz normal".

Mit Gammastrahlen des radioaktiven Zerfalls kann man jedoch direkt die Asche der Kernfusion beobachten; sie liefern damit einzigartige Informationen über solche Explosionen. Das Szenario, das die Astrophysiker hier beschreiben, passt gut zu neueren Überlegungen, dass die ziemlich schnellen Materialflüsse, die bei verschmelzenden Weißen Zwergen auftreten können, häufig der Ursprung von Supernovae dieses Typs sein könnten.