Neue Erkenntnisse über die Vorläufersysteme von Typ-Ia-Supernovae

Explodierende Sterne mit der Bezeichnung Typ-Ia-Supernovae sind ideal für die Messung kosmischer Entfernungen, weil sie hell genug sind, um sie im Universum zu entdecken und überall ungefähr dieselbe Helligkeit besitzen. Obwohl Astronomen viele Theorien über die Arten der Systeme (Vorläufersysteme) haben, die an diesen Explosionen beteiligt sind, hat niemand jemals eins direkt beobachtet – bis jetzt.

In der Science-Ausgabe vom 24. August 2012 präsentiert das Team der multi-institutionellen Palomar Transient Factory (PTF) die ersten direkten Beobachtungen eines Vorläufersystems für eine Typ-Ia-Supernova. Die Astronomen haben Hinweise dafür gesammelt, dass das Vorläufersystem einer Typ-Ia-Supernova namens PTF 11kx einen Roten Riesenstern enthält. Sie zeigen auch, dass das System zuvor mindestens eine kleinere Nova-Eruption durchmachte, bevor es sein Leben in einer zerstörerischen Supernova beendete. Das System befindet sich 600 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Lynx (Luchs).

Zum Vergleich: indirekte Beobachtungen eines Vorläufersystems einer anderen Typ-Ia-Supernova (SN 2011fe), die das PTF Team im letzten Jahr durchführte, zeigten keine Hinweise auf einen Roten Riesenstern. Zusammengenommen zeigen diese Beobachtungen unzweifelhaft, dass Typ-Ia-Supernovae nicht alle zwangsläufig auf dieselbe Art und Weise entstehen, nur weil sie gleich aussehen.

“Wir wissen, dass Typ-Ia-Supernovae von Galaxie zu Galaxie leicht variieren und wir haben das einbezogen, aber diese Beobachtung von PTF 11kx liefert die erste Erklärung dafür, warum das geschieht”, sagt Peter Nugent, ein Senior-Wissenschaftler vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und ein Co-Autor der Abhandlung. “Diese Entdeckung gibt uns eine Möglichkeit, die Genauigkeit unserer kosmischen Messungen zu verfeinern und zu verbessern.”

“Es ist eine richtige Überraschung herauszufinden, dass thermonukleare Supernovae, die alle so ähnlich aussehen, aus verschiedenen Sterntypen hervorgehen”, sagt Andy Howell, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Las Cumbres Observatory Global Telescope Network (LCOGT) und Co-Autor der Studie. “Wie können diese Ereignisse so ähnlich aussehen, wenn sie verschiedene Ursprünge hatten?”

Eine von 1.000 Supernovae; unterstützt von Supercomputern

Obwohl Typ-Ia-Supernovae selten sind und in einer typischen Galaxie vielleicht einmal oder zweimal pro Jahrhundert auftreten, betont Nugent, dass die Entdeckung eines Typ-Ia-Vorläufersystems wie PTF 11kx sogar noch seltener sei. “Man findet vielleicht eines dieser Systeme unter 1.000 Typ-Ia-Supernovae”, sagt er. “Die Palomar Transient Factory Real-Time Detection Pipeline war entscheidend für die Entdeckung von PTF 11kx.”

Der PTF-Survey verwendet ein Roboter-Teleskop, das auf dem 1,2-Meter Samuel Oschin Telescope am Palomar Observatory im Süden Kaliforniens montiert ist, um nachts den Himmel zu durchsuchen. Als die Beobachtungen gemacht wurden, reisten die Daten rund 650 Kilometer durch Hochgeschwindigkeitsnetzwerke (darunter das High Performance Wireless Research and Education Network der National Science Foundation und das Energy Sciences Network (Esnet) des Department of Energy) zum National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) am Berkeley Lab. Dort benutzt die Real-time Transient Detection Pipeline Supercomputer, ein paralleles Hochgeschwindigkeits-Dateisystem und fortgeschrittene maschinelle Lernalgorithmen, um die Daten zu überprüfen und Ereignisse zu identifizieren, denen Wissenschaftler [anschließend] nachgehen.

Nugent zufolge registrierte die Pipeline die Supernova am 16. Januar 2011. Er und der Postdoktorand Jeffrey Silverman von der University of California in Berkeley (UC Berkeley) führten umgehend nachfolgende spektroskopische Beobachtungen mit dem Shane-Teleskop des Lick Observatory durch. Diese Beobachtungen offenbarten unglaublich starke Calcium-Signale in dem Gas und Staub in der Umgebung der Supernova, was extrem ungewöhnlich ist.

Die Signale waren so eigenartig, dass Nugent und seine Kollegen Alex Filippenko und Joshua Bloom von der UC Berkeley eine Target of Opportunity (ToO) Beobachtung mit dem Keck Telescope auf Hawaii anstießen. “Im Grunde riefen wir einen Kollegen der UC an und unterbrachen ihre Beobachtungen, um zeitkritische Spektren zu erhalten”, erklärt Nugent.

Durch die Keck-Beobachtungen bemerkten die Astronomen, dass sich die Gas- und Staubwolken, die PTF 11kx umgeben, zu langsam bewegen, um von der kürzlichen Supernova zu stammen, aber zu schnell sind, um stellare Winde zu sein. Sie vermuteten, dass der Stern möglicherweise in einer Nova ausbrach und zuvor eine Materiehülle abgestoßen hatte. Die Materie, so mutmaßten sie, müsse sich verlangsamen, wenn sie mit Winden eines nahen Roten Riesensterns kollidiere. Aber damit diese Theorie korrekt ist, sollte die Materie der kürzlichen Supernova schließlich das Gas und den Staub der vorangegangenen Nova einholen und damit kollidieren. Genau das hat das PTF-Team letztendlich beobachtet.

In den Monaten nach der Supernova sah das Team den Abfall und das Verschwinden des Calcium-Signals. Dann, 58 Tage nachdem die Supernova erloschen war, beobachtete der Wissenschaftler Nao Suzuki vom Berkeley Lab das System mit dem Lick Telescope und bemerkte einen plötzlichen starken Calcium-Anstieg, der von dem System stammte und darauf hindeutete, dass die Materie der neuen Supernova mit der alten Materie kollidiert war.

“Dies war die aufregendste Supernova, die ich jemals untersucht habe. Mehrere Monate lang zeigte fast jede neue Beobachtung etwas, das wir nie zuvor gesehen hatten”, sagt Ben Dilday, ein Postdoktorand von der UC Santa Barbara und leitender Autor der Studie.

Computersimulation des beobachteten Vorläufersystems der Supernova PTF 11kx. (Animation: Romano Corradi and the Instituto de Astrofísica de Canarias)

Eine neue Art von Typ-Ia-Supernova

Laut Dilday ist es für einen Stern nicht ungewöhnlich, mehr als einmal einen Nova-Ausbruch durchzumachen. In der Tat existiert mit RS Ophiuchi solch ein periodisches Nova-System in unserer eigenen Milchstraßen-Galaxie. Etwa 5.000 Lichtjahre entfernt, liegt das System nah genug, damit Astronomen sagen können, dass es aus einem kompakten Weißen Zwerg (dem Kern eines sonnenähnlichen Sterns) und einem Roten Riesen besteht, die sich gegenseitig umkreisen. Materie, die von dem Roten Riesen durch Sternwinde abgestoßen wird, landet auf dem Weißen Zwerg. Wenn sich die Materie ansammelt kommt es auf dem Weißen Zwerg zu periodischen Explosionen, in diesem Fall etwa alle 20 Jahre.

Astronomen sagen voraus, dass der Weiße Zwerg bei wiederkehrenden Novae durch die Nova-Explosion mehr Masse verliert, als er von dem Roten Riesen erhält. Weil Typ-Ia-Supernovae in Systemen auftreten, in denen ein Weißer Zwerg mehr Masse von einem nahen Stern ansammelt, bis er nicht weiter wachsen kann und explodiert, schlussfolgern viele Wissenschaftler, dass wiederkehrende Nova-Systeme keine Typ-Ia-Supernovae produzieren können. Sie denken, dass der Weiße Zwerg zu viel Masse verlieren würde, um jemals zu einer Supernova zu werden. PTF 11kx ist der erste beobachtete Beleg dafür, dass Typ-Ia-Supernovae in diesen Systemen auftreten können.

“Weil wir tausende Systeme angeschaut haben und PTF 11kx das einzige ist, das wir fanden und exakt so aussieht, denken wir, dass dies möglicherweise ein seltenes Phänomen ist. Allerdings könnten diese Systeme auch häufiger vorkommen und die Natur versteckt nur ihre Signaturen vor uns”, sagt Silverman.

Die Real-Time Detection Pipeline der Palomar Transient Factory wurde durch die Unterstützung des Office of Science, der NASA und der National Science Foundation verwirklicht.

Quelle: http://newscenter.lbl.gov/news-releases/2012/08/23/supernovae-of-the-same-brightness/

(THK)