Mit Archivdaten des japanischen Röntgensatelliten Suzaku haben Astronomen die Präexplosionsmasse eines Weißen Zwergs bestimmt, der vor tausenden Jahren explodierte. Die Messung deutet klar darauf hin, dass an der Explosion nur ein einziger Weißer Zwerg beteiligt war, was ein weithin akzeptiertes Alternativszenario mit einem Paar verschmelzender Weißer Zwerge ausschließt.
„Eine wachsende Anzahl von Hinweisen spricht dafür, dass beide Szenarien ein Ereignis hervorrufen können, das wir als Typ-Ia-Supernova bezeichnen“, sagte der leitende Wissenschaftler Hiroya Yamaguchi, ein Astrophysiker am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland). „Um zu verstehen, wie diese Sterne explodieren, müssen wir die Überreste mit empfindlichen Instrumenten wie jenen an Bord von Suzaku detailliert untersuchen.“
Die Forscher analysierten archivierte Beobachtungen eines Supernova-Überrests namens 3C 397, der rund 33.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Aquila (Adler) liegt. Astronomen schätzen, dass diese Wolke aus stellaren Überresten seit 1.000-2.000 Jahren expandiert, was 3C 397 zu einem mittelalten Supernova-Überrest macht.
Das Team wies eindeutig Elemente nach, die entscheidend dafür sind, die Masse des Weißen Zwergs mit Hilfe der Daten des X-ray Imaging Spectrometer zu bestimmen. Die Beobachtung wurde im Oktober 2010 durchgeführt und lieferte eine Gesamtbelichtungszeit von 19 Stunden im Energiebereich zwischen 5.000 und 9.000 Elektronenvolt.
Infrarotdaten des NASA-Weltraumteleskops Spitzer gaben Einblicke in die Menge Gas und Staub, die der expandierende Überrest bei seiner Reise durch den interstellaren Weltraum aufgenommen hat. Die Beobachtungen vom April 2005 lassen darauf schließen, dass 3C 397 eine Masse angesammelt hat, die etwa 18 Mal größer als die Masse des ursprünglichen Weißen Zwergs ist. Daraus schlussfolgert das Team, dass Schockwellen die innersten Bereiche des Überrests aufgeheizt haben.
Die meisten massearmen und mittelschweren Sterne ähnlich wie die Sonne werden ihr Leben als Weißer Zwerg beenden. Ein normaler Weißer Zwerg ist etwa so massereich wie unsere Sonne, obwohl er nur die Größe der Erde besitzt. Daher gehören Weiße Zwerge zu den dichtesten Objekten, die Wissenschaftlern bekannt sind – sie werden nur von Neutronensternen und Schwarzen Löchern übertroffen.
„Weiße Zwerge bleiben stabil, solange ihre Masse nicht zu nah an 1,4 Sonnenmassen herankommt“, sagte das Teammitglied Carles Badenes, ein Assistenzprofessor am Department of Physics and Astronomy der University of Pittsburgh in Pennsylvania. „Weiße Zwerge nahe dieser Grenze sind auf der Schwelle zu einer katastrophalen Explosion. Dafür ist nur noch ein bisschen mehr Masse erforderlich.“
Bis vor kurzem dachten Astronomen, dass der wahrscheinlichste Weg eines Weißen Zwergs zur Massenzunahme die Mitgliedschaft in einem engen Doppelsternsystem mit einem normalen, sonnenähnlichen Stern ist. Durch Ansammeln von Materie seines Begleiters kann sich der Weiße Zwerg im Verlauf von Millionen Jahren der Grenzmasse annähern und explodieren. Man nimmt an, dass der Begleitstern das überstehen würde, aber Astronomen finden keine Hinweise darauf, was ein Alternativmodell notwendig macht. In dem Verschmelzungsszenario wird die Explosion durch ein Paar von weniger massereichen Weißen Zwergen ausgelöst, die sich auf ihren Umlaufbahnen mit der Zeit näherkommen, bis sie schließlich miteinander verschmelzen und explodieren.
„Wir können unterscheiden, welches dieser Szenarien für einen gegebenen Supernova-Überrest verantwortlich ist, indem wir die Elemente Nickel und Mangan in der expandierenden Wolke betrachten“, sagte der Astrophysiker Brian Williams vom Goddard Space Flight Center. „Die Explosion eines einzelnen Weißen Zwergs nahe seiner Grenzmasse wird ganz andere Mengen dieser Elemente produzieren als eine Verschmelzung.“ Das Team maß auch die Elemente Eisen und Chrom, die in allen Typ-Ia-Supernovae produziert werden, um seine Berechnungen zu standardisieren.
Die Studie wurde am 12. März 2015 in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht und ist Teil eines andauernden Forschungsprogramms mit Suzaku. Es zielt darauf ab, Astronomen dabei zu unterstützen, die Vielfalt von Typ-Ia-Supernovae besser zu verstehen. Typ-Ia-Supernovae stellen eine wichtige Klasse stellarer Explosionen dar, die bei der Erforschung des entfernten Universums verwendet werden. Dieses Ergebnis zeigt, dass zumindest manche Typ-Ia-Supernovae überlebende stellare Begleiter haben müssen, und das Team betont ausdrücklich, dass die Suche nach diesen Sternen fortgesetzt werden sollte.
Suzaku startete am 10. Juli 2005 und wurde vom Japanese Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) in Zusammenarbeit mit der NASA und anderen japanischen und US-amerikanischen Einrichtungen entwickelt.
(THK)
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