Explodierende Sterne bieten einen spektakulären Anblick. Infrarotteleskope wie Spitzer können den Schleier durchdringen und einen besseren Eindruck davon vermitteln, wie oft diese Explosionen stattfinden.
Man könnte denken, dass Supernovae – der Todeskampf massereicher Sterne und mit die hellsten und gewaltigsten Explosionen im Universum – schwer zu übersehen sind. Trotzdem ist die Anzahl dieser in den fernen Bereichen des Universums beobachteten Explosionen viel kleiner als die Vorhersagen der Astrophysik.
Eine neue Studie mit Daten des kürzlich außer Betrieb gegangenen NASA-Weltraumteleskops Spitzer beschreibt die Beobachtung von fünf Supernovae, in optischen Wellenlängen nicht registriert und nie zuvor gesehen wurden. Spitzer beobachtete das Universum in infraroten Wellenlängen, die Staubwolken durchdringen, welche sichtbares Licht blockieren. Sichtbares Licht ist das Licht, was unsere Augen wahrnehmen und der Bereich, in dem unverborgene Supernovae am hellsten strahlen.
Um nach verborgenen Supernovae zu suchen, betrachteten Forscher Spitzer-Daten über 40 staubhaltige Galaxien. Der Begriff Staub bezieht sich im Weltraum auf körnchenähnliche Teilchen, deren Konsistenz vergleichbar mit Rauch ist. Basierend auf der Anzahl der in diesen Galaxien gefundenen Supernovae bestätigt die Studie, dass Supernovae tatsächlich so häufig vorkommen, wie die Wissenschaftler erwarten. Diese Erwartung stützt sich auf das aktuelle Wissen der Forscher über die Art und Weise, wie sich Sterne entwickeln. Studien wie diese sind notwendig, um dieses Wissen zu verbessern, indem sie bestimmte Aspekte entweder bekräftigen oder anzweifeln.
„Diese Ergebnisse mit Spitzer zeigen, dass die optischen Durchmusterungsprogramme, auf die wir uns zur Auffindung von Supernovae lange gestützt haben, bis zu 50 Prozent der Explosionen übersehen, die dort draußen im Universum stattfinden“, sagte Ori Fox vom Space Telescope Science Institute in Baltimore (Maryland). Fox ist der Hauptautor der neuen Studie, die in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht wurde. „Es sind sehr gute Nachrichten, dass die Anzahl der von uns mit Spitzer beobachteten Supernovae statistisch mit den theoretischen Voraussagen übereinstimmt.“
Die „Supernova-Diskrepanz“, also die Inkonsistenz zwischen der Anzahl der vorhergesagten Supernovae und der Anzahl der von optischen Teleskopen beobachteten Supernovae, ist im nahen Universum kein Problem. Dort haben Galaxien ihre Sternentstehungsrate verlangsamt und sind im Allgemeinen weniger staubhaltig. In den ferneren Regionen des Universums erscheinen die Galaxien jedoch jünger und produzieren Sterne mit höheren Raten und neigen dazu, größere Mengen an Staub aufzuweisen. Dieser Staub absorbiert und streut optisches und ultraviolettes Licht, so dass es keine Teleskope erreichen kann. Deswegen haben Forscher lange vermutet, dass die fehlenden Supernovae existieren müssen und nur übersehen werden.
„Weil sich das lokale Universum seit seinen frühen Jahren der Sternbildung etwas beruhigt hat, sehen wir die erwarteten Anzahlen von Supernovae mit typischen optischen Suchprogrammen“, sagte Fox. „Der prozentuale Anteil der beobachteten Supernovae sinkt jedoch, je weiter man sich entfernt und in kosmische Epochen gelangt, wo staubhaltigere Galaxien dominierten.“
Der Nachweis von Supernovae in so großen Entfernungen kann anspruchsvoll sein. Um eine Suche nach Supernovae in staubhaltigeren Galaxien, aber in weniger extremen Distanzen durchzuführen wählte Fox‘ Team eine lokale Stichprobe aus 40 staubhaltigen Galaxien aus, die als leuchtkräftige beziehungsweise ultraleuchtkräftige Infrarotgalaxien bezeichnet werden. Der Staub innerhalb dieser Galaxien absorbiert optisches Licht von Objekten wie Supernovae, aber erlaubt infraroten Wellenlängen von denselben Objekten, den Staub zu durchdringen, so dass Teleskope wie Spitzer es registrieren können.
Die Vermutung der Forscher erwies sich als korrekt, als die fünf bisher unbeobachteten Supernovae im Infrarotlicht zum Vorschein kamen. „Es ist ein Beleg für Spitzers Entdeckungspotenzial, dass das Teleskop in der Lage war, das Signal von verborgenen Supernovae aus diesen staubhaltigen Galaxien zu registrieren“, sagte Fox.
„Es war besonders toll für mehrere unserer Studenten, dass sie zu dieser aufregenden Forschungsarbeit beitragen konnten“, sagte der Co-Autor Alex Filippenko, ein Astronomie-Professor an der University of California in Berkeley. „Sie halfen die Frage zu beantworten, wo all die Supernovae geblieben sind.“
Die von Spitzer registrierten Supernovatypen werden als Kernkollapssupernovae bezeichnet, woran Riesensterne mit mindestens acht Sonnenmassen beteiligt sind. Wenn sie altern und ihre Kerne sich mit Eisen anreichern, können große Sterne nicht länger genug Energie produzieren, um ihrer eigenen Gravitation zu widerstehen. Dann kollabieren ihre Kerne plötzlich und katastrophal.
Die intensiven Druck- und Temperaturverhältnisse, die während des schnellen Kollaps erzeugt werden, bilden neue chemische Elemente durch Kernfusion. Die kollabierenden Sterne prallen letztendlich von ihren eigenen ultradichten Kernen ab und sprengen sich selbst in Fetzen, wobei sie diese Elemente im Weltraum verstreuen. Supernovae produzieren schwere Elemente wie die meisten Metalle. Diese Elemente sind notwendig für den Aufbau von Gesteinsplaneten wie der Erde und für biologische Organismen. Insgesamt dienen die Supernovaraten als ein wichtiger Test für Modelle der Sternentstehung und der Erzeugung schwerer Elemente im Universum.
„Wenn man im Griff hat, wie viele Sterne entstehen, dann kann man vorhersagen, wie viele Sterne explodieren werden“, sagte Fox. „Oder andersrum: Wenn man im Griff hat, wie viele Sterne explodieren, kann man vorhersagen, wie viele Sterne entstehen. Diesen Zusammenhang zu verstehen, ist entscheidend für viele Fachgebiete der Astrophysik.“
Teleskope der nächsten Generation, darunter das Nancy Grace Roman Space Telescope und das James Webb Space Telescope der NASA werden Infrarotlicht wie Spitzer registrieren.
„Unsere Studie hat gezeigt, dass die Modelle zur Sternentstehung besser mit den Supernovaraten übereinstimmen als bislang gedacht“, sagte Fox. „Und durch die Entdeckung dieser verborgenen Supernovae hat Spitzer den Weg für neue Entdeckungen mit dem Nancy Grace Roman Space Telescope und dem James Webb Space Telescope geebnet.“
(THK)
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