Kosmisches Feuerwerk: Über den Ursprung von Typ-Ia-Supernovae

Ein bisschen Glück und viel harte Arbeit können den Himmel tatsächlich erleuchten. Ein Astronomenteam unter der Leitung von Carles Badenes von der University of Pittsburgh hat sich eine kaum bekannte Eigenschaft des Sloan Digital Sky Survey (SDSS) zunutze gemacht und dabei geholfen, die Ursprünge eines wichtigen Typs explodierender Sterne aufzuklären, indem es ausschließlich ein paar tausend kleiner, schwacher Sterne in unserem eigenen kosmischen Hinterhof untersuchte.

Das von dem Team studierte astronomische Feuerwerk sind so genannte „Typ-Ia-Supernovae“, explodierende Sterne, die so unglaublich hell sind, dass wir sie sogar in den entferntesten Galaxien sehen können. In einer auf arxiv.org veröffentlichten Abhandlung verglichen Badenes und seine Kollegen die Anzahl dieser Supernovae in entfernten Galaxien mit der der Anzahl binärer weißer Zwerge in unserer Galaxie. Die Rate ist vergleichbar, was darauf hindeutet, dass verschmelzende weiße Zwerge in der Tat eine begründete Erklärung für diese gigantischen Explosionen sind.

Trotz ihrer Seltenheit sind Typ-Ia-Supernovae wichtig aufgrund dessen, was sie uns über das Universum lehren können. „Wir wissen, dass alle Typ-Ia-Supernovae dieselbe Helligkeit aufweisen sollten; also wenn eine schwächer erscheint, muss sie weiter entfernt sein“, sagt Badenes. „Das bedeutet, wenn wir eine Typ-Ia-Supernova in einer entfernten Galaxie sehen, können wir herausfinden, wie weit diese Galaxie entfernt ist.“ Tatsächlich war es die Verwendung von Typ-Ia-Supernovae für die Entfernungsbestimmung von Galaxien, was Astronomen zu der Entdeckung führte, dass sich unser Universum beschleunigt [ausdehnt]- ein Durchbruch, der 2011 mit dem Nobelpreis für Physik bedacht wurde.

Obwohl wir wissen, was während einer Typ-Ia-Supernovaexplosion geschieht, wissen wir erstaunlicherweise nicht mit Sicherheit, was für Sterne sie erzeugen. „Wir wissen, dass dort zwei Sterne beteiligt sein müssen und dass einer von ihnen ein weißer Zwerg sein muss“, sagt Dan Maoz, ein Astronom an der Tel Aviv University in Israel und Co-Autor der veröffentlichten Studie. „Aber es gibt zwei Möglichkeiten dafür, was der andere Stern sein muss und wir sind nicht sicher, ob eine oder beide Möglichkeiten korrekt sind.“

Der zweite Stern könnte entweder ein „normaler“ Stern wie die Sonne sein, oder ein anderer weißer Zwerg. Wenn ein Sternsystem zwei weiße Zwerge enthält, dann umkreisen sich die weißen Zwerge mit 800.000 Kilometern pro Stunde, werden schneller und nähern sich einander immer mehr – bis sie eines Tages verschmelzen und höchstwahrscheinlich das Feuerwerk einer Typ-Ia-Supernova entfachen.

Diese Animation zeigt ein binäres System, bestehend aus zwei weißen Zwergen, die sich gegenseitig immer schneller umkreisen, bis sie schließlich miteinander verschmelzen und eine Typ-Ia-Supernova erzeugen. In diesem Fall liegt der berechnete Zeitpunkt für die Verschmelzung etwa 61 Millionen Jahre in der Zukunft. (GSFC / D. Berry)

„Es gibt Gründe zu vermuten, dass Typ-Ia-Supernovae aus der Verschmelzung zweier weißer Zwerge hervorgehen“, sagt Maoz. „Aber das größte Fragezeichen ist: Gibt es genug binäre weiße Zwerge dort draußen, um die Menge von Typ-Ia-Supernovae zu produzieren, die wir sehen?“

Diese Frage zu beantworten erfordert die Zählung binärer weißer Zwerge; herauszufinden, wie oft sie verschmelzen und diese Rate mit der Supernova-Rate in entfernten Galaxien zu vergleichen. Weiße Zwerge sind so klein und leuchtschwach, dass es keine Hoffnung gibt, sie in entfernten Galaxien zu entdecken, also wandten sich Badenes und Maoz dem einzigen Ort zu, an dem wir sie sehen können – dem Teil unserer Galaxie im Umkreis von etwa 1.000 Lichtjahren von unserer Sonne. Und weil es das Ziel der Wissenschaftler war, binäre weiße Zwerge in der Nachbarschaft zu zählen, widmeten sie sich der einzigen Himmelsdurchmusterung, die genug von ihnen finden konnte, um sie zu zählen.

Um ein Doppelsternsystem zu finden, müssen Astronomen nicht unbedingt beide Sterne sehen. Auch wenn einer der Sterne zu schwach ist, können wir seine Anwesenheit durch seine Auswirkungen auf den anderen Stern registrieren. Wenn die Sterne sich mit halsbrecherischen Geschwindigkeiten umkreisen, bewegt sich der sichtbare Stern manchmal auf uns zu und manchmal von uns weg.

Diese Vor- und Zurückbewegung kann dank des Doppler-Effekts im Spektrum des Sterns (ein Maß dafür, wie viel Licht der Stern in unterschiedlichen Wellenlängen abgibt) registriert werden. Der Doppler-Effekt ist der Grund dafür, dass die Sirene eines Notarztwagens ihre Tonhöhe von hoch nach niedrig ändert, wenn er an uns vorbeifährt. Auf dieselbe Weise werden Lichtwellen von einem Objekt, das sich auf uns zu bewegt, verkürzt (blauverschoben, blueshifted), während Lichtwellen von einem Objekt, das sich von uns fort bewegt, gestreckt (rotverschoben, redshifted) werden. Merkmale in dem Spektrum namens „Spektrallinien“ liefern Anhaltspunkte, um die Verschiebung zu messen – und damit auch die Geschwindigkeit des Sterns.

Aber Sterne können sich aus vielerlei Gründen bewegen, deshalb gibt die Bestimmung einer Geschwindigkeit nicht genügend Belege dafür, dass der Stern einen unsichtbaren Begleiter hat. Um das zu beweisen, brauchen Astronomen mindestens zwei Spektren. Wenn sich die berechnete Geschwindigkeit des Sterns zwischen den Zeitpunkten des ersten und zweiten Spektrums verändert hat, wissen die Astronomen, dass das System nicht aus einem Stern sondern aus zwei Sternen besteht. Außerdem können sie ableiten, was für eine Art von Stern der unsichtbare Begleiter sein muss. Wenn sich beide als weiße Zwerge herausstellen, können Astronomen auch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie verwenden, um zu berechnen, wie viel Zeit noch verbleibt, bis die beiden weißen Zwerge verschmelzen und explodieren werden.

Die Verwendung dieser Methode erfordert mindestens zwei Spektren des weißen Zwergs und der Sloan Digital Sky Survey besitzt nur eins. Deshalb würde dieser Ansatz für Badenes und Maoz nicht funktionieren. Oder doch?

Im Jahr 2008 war Badenes ein Postdoktorand an der Princton University. Im selben Gebäude arbeitete Robert Lupton, einer der „Gründerväter“ des Sloan Digital Sky Survey. Eines Tages, bei einem Kaffee, erzählte Lupton Badenes von einer kaum bekannten Tatsache bezüglich der Daten des SDSS. Wenn das SDSS-Teleskop ein Spektrum misst, werden tatsächlich drei Subspektren gemessen und anschließend zusammengefügt, um ein vollständiges Spektrum zu erhalten. Auf diese Weise könnte die Himmelsdurchmusterung immer noch die anderen zwei verwenden, wenn mit einem etwas nicht stimmen sollte. „Robert sagte, dass es diese Spektren gibt und das jemand wirklich wissenschaftlich mit ihnen arbeiten sollte“, sagt Badenes. „Ich erkannte sofort, dass diese Subspektren das fehlende Teil waren. Jetzt konnten wir mit den SDSS-Daten exakt das tun, was wir brauchten.“

Dann kam der schwere Teil. Die drei Supspektren waren niemals für den öffentlichen Gebrauch gedacht, deswegen waren sie schwer zu finden und lagen in einem Format vor, das – wie Badenes sagt – „unfreundlich“ war. Badenes und Maoz arbeiteten mit Steve Bickerton, einem Astronom an der Princeton University, zusammen, um die Subspektren zu sammeln und aufzubereiten. „Wir mussten die drei Subspektren separat verarbeiten, allerdings so, dass wir sie direkt miteinander vergleichen konnten“, sagt Bickerton. „Es war nicht leicht.“

Aber die Beharrlichkeit zahlte sich aus und innerhalb eines Jahres hatte das Team eine Liste mit über 4.000 weißen Zwergen, von denen jeder zwei oder mehr hochqualitative Subspektren besaß. Das Team hoffte, einige dieser 4.000 würden Hinweise darauf zeigen, dass sich die Geschwindigkeit des Sterns zwischen den drei Subspektren verändert hatte, was dafür sprechen würde, dass das, was wie ein einzelner Stern aussah, in Wirklichkeit ein binärer weißer Zwerg war.

Unter den ursprünglich 4.000 fand das Team 15 Sterne, die mit Sicherheit binäre weiße Zwerge sind – „und wenn es mehr als 15 gewesen wären, hätten wir auch mehr als 15 gesehen“, sagt Badenes. Mit 15 gefundenen binären weißen Zwergen in der lokalen Nachbarschaft konnte das Team Computersimulationen verwenden, um die Rate zu berechnen, mit der binäre weiße Zwerge verschmelzen. Anschließen konnten sie die Anzahl der verschmelzenden weißen Zwerge hier mit der Anzahl der beobachteten Typ-Ia-Supernovae in entfernten Galaxien vergleichen, die der Milchstraße ähneln.

Das Ergebnis? Durchschnittlich findet in der Milchstraße eine Verschmelzung zweier weißer Zwerge pro Jahrhundert statt. Dieser Wert liegt bemerkenswert nah an der Rate von Typ-Ia-Supernovae, die wir in Galaxien wie unserer eigenen beobachten, was darauf schließen lässt, dass die Verschmelzung eines Systems binärer weißer Zwerge eine plausible Erklärung für Typ-Ia-Supernovae ist.

Die Entdeckung des Teams liefert nicht nur einen Schlüsselhinweis auf die Natur dieser wichtigen Ereignisse, sondern demonstriert auch das Potenzial umfassender astronomischer Himmelsdurchmusterungen wie dem SDSS. „Vor 20 Jahren entschieden wir, drei Subspektren für jedes Spektrum zu erfassen. Wir taten das aus rein praktischen Gründen“, sagt Robert Lupton, der Princeton-Astronom, der Badenes erstmals von den Subspektren erzählte. „Wir hatten keine Vorstellung davon, dass es uns eines Tages einen wichtigen Anhaltspunkt zu dem Rätsel der Typ-Ia-Supernovae geben würde. Das war eine großartige Erkenntnis von Carles und Dan und es war wie ein glücklicher Zufall für uns.“

Wer weiß, was für „glückliche Zufälle“ das Universum noch bereit hält?

Quelle: http://www.sdss3.org/press/20120227.fireworks.php

(THK)