Astronomen entdecken einen gewaltigen Ausbruch kurz vor der Supernova eines Sterns

Die Supernova SN 2006gy in der Galaxie NGC 1260 gehört ebenfalls zum Typ IIn. Im Röntgenspektrum leuchtete die Supernova (oben rechts) ähnlich hell wie der gesamte Kern ihrer Heimatgalaxie (unten links). (X-ray: NASA / CXC, Nathan Smith, Weidong Li (UC Berkeley) et al.; IR: PAIRITEL / Lick / UC Berkeley / J.Bloom, C.Hansen)
Die Supernova SN 2006gy in der Galaxie NGC 1260 gehört ebenfalls zum Typ IIn. Im Röntgenspektrum leuchtete die Supernova (oben rechts) ähnlich hell wie der gesamte Kern ihrer Heimatgalaxie (unten links). (X-ray: NASA / CXC, Nathan Smith, Weidong Li (UC Berkeley) et al.; IR: PAIRITEL / Lick / UC Berkeley / J.Bloom, C.Hansen)

Eine automatisierte Jagd nach Supernovae wirft neues Licht auf den Tod massereicher Sterne – insbesondere auf jene, die sich in Typ-IIn-Supernova-Explosionen selbst zerstören.

Astronomen haben den ersten kausalen Hinweis dafür gefunden, dass diese massereichen Sterne große Mengen Materie in einem “vorletzten Ausbruch” abstoßen, bevor sie endgültig als Supernovae explodieren. Dazu durchsuchten die Forscher das Datenarchiv der Palomar Transient Factory (PTF) am National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Eine konzentrierte Suche nach vorläufigen Typ-IIn-Supernova-Ausbrüchen, die von Eran Ofek vom Weizmann Institute in Israel und dem PTF-Team durchgeführt wurde, führte zu dieser Entdeckung. Ihre Ergebnisse wurden in der Nature-Ausgabe von 7. Februar 2013 veröffentlicht. Die PTF ist eine internationale Gemeinschaftsarbeit, die Forscher, Universitäten, Observatorien und das Berkeley Lab zusammenbringt, um nach Supernovae und anderen astronomischen Objekten zu suchen.

Der kausale Zusammenhang

Massereiche Sterne mit einer Masse zwischen acht und 100 Sonnenmassen verbringen den Großteil ihres Lebens mit der Fusion von Wasserstoff (dem leichtesten Element) in immer schwerere Elemente wie Helium, Sauerstoff, Kohlenstoff und so weiter. Am Ende ist fast nichts mehr übrig bis auf einen Eisenkern. Letztendlich kollabiert dieser Kern und setzt eine gewaltige Energiemenge in Form von Neutrinos, Magnetfeldern und Schockwellen frei, was den Stern im Verlauf dieses Prozesses zerstört. Von der Erde aus wird so ein explosives Ereignis als Supernova beobachtet. Falls Astronomen Wasserstoff registrieren, wird das Ereignis als eine Typ-II-Supernova klassifiziert. Und falls die Wasserstoff-Emissionslinie schmal ist, wird das Ereignis als Typ-IIn-Supernova klassifiziert (n steht für “narrow” = “schmal”).

Im Fall der Typ-IIn-Ereignisse vermuteten Wissenschaftler, dass die schmale Emissionslinie auftritt, wenn Licht von dem Ereignis eine dünne Hülle aus Wasserstoff durchquert, die den Stern bereits umgab, bevor er zur Supernova wurde. Einige glaubten, dass der sterbende Stern diese Materiehülle abgestoßen haben könnte, bevor er sich selbst zerstörte, aber bis vor kurzem gab es keinen Beleg, um einen solchen Ausbruch mit einer tatsächlichen Supernova zu verbinden.

An diesem Punkt kam die PTF ins Spiel. Seit fast vier Jahren verlässt sich das PTF-Team auf ein Roboter-Teleskop, das auf dem Samuel Oschin Telescope am Palomar Observatory in Südkalifornien angebracht ist, um nachts den Himmel zu durchsuchen. Sobald Beobachtungen gemacht wurden, reisen die Daten durch das High Performance Wireless Research and Education Network der National Science Foundation und das Energy Sciences Network (ESnet) des US-Energieministeriums fast 650 Kilometer weit zum NERSC. Die dortigen Computer verfügen über eine Software, die als Real-Time Transient Detection Pipeline bezeichnet wird und die Daten sichtet. Sie identifiziert Ereignisse, die die Astronomen nachfolgend untersuchen können. Das NERSC archiviert diese Daten zudem und erlaubt Partnern, mittels eines web-basierten Wissenschaftskanals namens DeepSky den Zugriff auf die Daten über das Internet.

Am 25. August 2010 registrierte die PTF-Pipeline eine Typ-IIn-Supernova etwa 500 Millionen Lichtjahre entfernt in Richtung des Sternbildes Hercules. Kurz darauf leitete Ofek eine Suche nach vorherigen PTF-Scans derselben stellaren Nachbarschaft, indem er eine hochqualitative Pipeline verwendete, die von Mark Sullivan von der University of Southampton entwickelt wurde. Er stellte fest, dass der wahrscheinliche Vorläufer der Supernova – ein massereicher, veränderlicher Stern – nur 40 Tage vor der Supernova eine große Menge Masse abgestoßen hatte. Sie nannten das Ereignis SN 2010mc.

“Nachdem die NERSC-Geräte SN 2010mc gefunden hatten, durchsuchten wir nochmals die Archive und fanden Anhaltspunkte für einen vorherigen Ausbruch am selben Ort und wir wussten, dass er vor der endgültigen Supernova etwas Materie ausgestoßen hatte”, sagt Brad Cenko, ein Postdoktorand an der University of California in Berkeley und Co-Autor der Abhandlung. “Wir haben schon vorher Belege für diesen Prozess gesehen, aber es gab nur einen oder zwei Fälle, bei denen wir eindeutig sagen konnten, wann der vorherige Ausbruch geschah.”

Schematische Darstellung eines Modells zur Beschreibung der Supernova SN 2010mc. Bild A zeigt die Supernova am Tag ihrer Explosion. Eine innere Hülle (violett) repräsentiert die Materie, die der Vorläuferstern etwa einen Monat vorher im Rahmen des vorletzten Ausbruchs ausgestoßen hat. Eine äußere Hülle (orange) besteht aus Materie, die schon vorher abgestoßen wurde. Bild B zeigt SN 2010mc am Tag 5. Die Schockwelle der Supernova (graue Linie) bewegt sich mit 10.000 km/s und ionisiert die innere und die äußere Hülle, wobei sie breite und schmale Wasserstoff-Emissionslinien erzeugt, die von Astronomen auf der Erde nachgewiesen werden können. Bild C zeigt das Objekt am Tag 20, als die Schockwelle die innere Hülle einschließt. Zu diesem Zeitpunkt registrierten die Astronomen nur eine schmale Wasserstoff-Emissionslinie. (Credit: E. O. Ofek, Weizmann Institute of Science)
Schematische Darstellung eines Modells zur Beschreibung der Supernova SN 2010mc. Bild A zeigt die Supernova am Tag ihrer Explosion. Eine innere Hülle (violett) repräsentiert die Materie, die der Vorläuferstern etwa einen Monat vorher im Rahmen des vorletzten Ausbruchs ausgestoßen hat. Eine äußere Hülle (orange) besteht aus Materie, die schon vorher abgestoßen wurde. Bild B zeigt SN 2010mc am Tag 5. Die Schockwelle der Supernova (graue Linie) bewegt sich mit 10.000 km/s und ionisiert die innere und die äußere Hülle, wobei sie breite und schmale Wasserstoff-Emissionslinien erzeugt, die von Astronomen auf der Erde nachgewiesen werden können. Bild C zeigt das Objekt am Tag 20, als die Schockwelle die innere Hülle einschließt. Zu diesem Zeitpunkt registrierten die Astronomen nur eine schmale Wasserstoff-Emissionslinie. (Credit: E. O. Ofek, Weizmann Institute of Science)

Ofek und das PTF-Team entwickelten ein Szenario und überprüften es gegen konkurrierende Theorien, indem sie Belege von verschiedenen Himmelsdurchmusterungen verwendeten, die auf die Beobachtung von SN 2010mc ausgerichtet wurden, nachdem die NERSC-Pipeline die Supernova registriert hatte. Sie schlussfolgerten, dass der “vorletzte Ausbruch” ein Hundertstel der Sonnenmasse in Form einer Hülle abgestoßen hatte, die mit 2.000 Kilometern pro Sekunde expandiert und bereits sieben Milliarden Kilometer von der Supernova entfernt war, als sie explodierte. Frühere Ejekta, die sich auf rund 100 Kilometer pro Sekunde verlangsamt hatten, wurden in einer Entfernung von zehn Milliarden Kilometern nachgewiesen.

Nach der Supernova-Explosion durchquerte die abgestoßene Materie mit hoher Geschwindigkeit die Hüllen früherer Ausbrüche und hinterließ eine Aufzeichnung mit veränderlicher Helligkeit und spektralen Merkmalen. Die Beobachtungen deuteten auf das wahrscheinlichste theoretische Modell über das Geschehen: Von Störungen angeregte, solare Wellen lösten schrittweise Perioden des Massenverlusts aus, die letztlich im Kollaps und der Explosion des Kerns gipfelten. Weil der stellare Ausbruch sehr kurz vor der Supernova stattfand, vermuteten die Astronomen, dass die Ereignisse in einem ursächlichen Zusammenhang standen. Cenko betont, dass dies wichtige Auswirkungen auf die Prozesse haben könne, die eine Supernova auslösen.

“Ich denke, wir haben ein sehr interessantes Objekt gefunden und die Art und Weise, wie wir unsere Himmelsdurchmusterung und die Suche am NERSC durchführen, gab uns die einmalige Möglichkeit, es zu finden”, sagt Peter Nugent, ein Senior-Wissenschaftler am Berkeley Lab und Mitglied der PTF-Gemeinschaftsarbeit.

Die Zukunft

Als das Team den Vorläufer von SN 2010mc gefunden hatte, nutzte es Sullivans Pipeline, um die stellaren Nachbarschaften in den PTF-Archivdaten zu durchsuchen, wo bereits zuvor andere Typ-IIn-Supernovae registriert wurden. Nugent zufolge half diese Maßnahme dem Team bei der Identifizierung mehrerer vergleichbarer Fälle.

“Obwohl das PTF-Projekt nicht mehr in jeder Nacht Daten sammelt, stützen wir uns immer noch auf die NERSC-Ressourcen, um unsere Archivdaten durchzugehen”, sagt Nugent. “Diese kürzliche Entdeckung zeigt uns, dass es noch eine Menge gibt, was wir aus den Archivdaten am NERSC lernen können, und sie gibt uns Einblicke darin, wie wir zukünftige Experimente gestalten könnten, um diese Ereignisse weitergehend zu untersuchen.”

Das Projekt wird vom Office of Science des US-Energieministeriums und von der NASA unterstützt.

Quelle: http://www.nersc.gov/news-publications/news/science-news/2013/a-massive-stellar-burst-before-the-supernova/

(THK)

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