Kepler und Swift beobachten mehrere junge Typ-Ia-Supernovae

Astronomen sind erstaunt über neue Supernova-Messungen, die von den NASA-Weltraumteleskopen Kepler und Swift durchgeführt wurden. Sie grübeln darüber in der Hoffnung besser zu verstehen, was diese welterschütternden Sternexplosionen auslöst. Besonders fasziniert sind die Wissenschaftler von Supernovae des Typs Ia, weil sie als Standardkerzen zur Messung der enormen Entfernungen im Universum herangezogen werden können.

“Keplers beispiellose Beobachtungen vor dem Supernova-Ereignis und Swifts Schnelligkeit bei der Reaktion auf Supernova-Ereignisse haben gleichzeitig wichtige Entdeckungen hervorgebracht, aber in sehr unterschiedlichen Wellenlängen”, sagte Paul Hertz, der Direktor der Abteilung für Astrophysik am Science Mission Directorate der NASA. “Wir erhalten nicht nur Einblicke darin, was eine Typ-Ia-Supernova auslöst, sondern diese Daten erlaubten uns auch, die Typ-Ia-Supernovae als Standardkerzen besser zu kalibrieren. Das hat Auswirkungen auf unsere Möglichkeiten, die Geheimnisse der Dunklen Energie letztendlich zu begreifen.”

Typ-Ia-Supernovae explodieren mit vergleichbaren Helligkeiten, weil das explodierende Objekt immer ein Weißer Zwerg ist – ein erdgroßer Überrest eines sonnenähnlichen Sterns. Ein Weißer Zwerg kann als Supernova explodieren, wenn er mit einem anderen Weißen Zwerg verschmilzt, oder indem er zu viel Materie von einem nahen Begleitstern abzieht, wodurch eine thermonukleare Reaktion verursacht wird und er sich selbst in Stücke sprengt. In Studien, die am Donnerstag im Journal Nature erschienen, haben Kepler und Swift unterstützende Anhaltspunkte für beide zerstörerischen Szenarien gefunden.

Unter Verwendung der Kepler-Daten haben Forscher drei neue und entfernte Supernovae entdeckt, und der Datensatz umfasst Messungen, die bereits vor dem Auftreten der gewaltigen Explosionen durchgeführt wurden. Das Weltraumteleskop Kepler ist für seine Fähigkeiten bei der Jagd nach Exoplaneten und seinen unaufhörlichen Blick bekannt. Seine sehr präzisen und häufigen Beobachtungen alle 30 Minuten haben Astronomen ermöglicht, die Uhr zurückzudrehen und die ersten Momente einer Supernova zu analysieren. Die Ergebnisse liefern die ersten direkten Messungen, die in der Lage sind, den Wissenschaftlern etwas über die Ursache der Explosion zu verraten.

“Unsere Supernova-Entdeckungen mit Kepler stützen das Verschmelzungsszenario, während die Swift-Studie belegt, dass Typ-Ia-Supernovae auch aus einzelnen Weißen Zwergen hervorgehen können”, sagte Robert Olling, ein Forscher der University of Maryland und Hauptautor der Studie. “Genau wie viele Wege nach Rom führen, könnte die Natur mehrere Wege haben, um Weiße Zwerge explodieren zu lassen.”

Um die ersten Momente von Explosionen des Typs Ia einzufangen, beobachtete das Forschungsteam 400 Galaxien zwei Jahre lang mit Kepler. Das Team entdeckte drei Ereignisse – KSN 2011b, KSN 2011c und KSN 2012a – mit Messungen, die vor, während und nach den Explosionen vorgenommen wurden.

Die frühen Daten bieten einen Einblick in die physikalischen Prozesse, die diese stellaren Bomben in hunderten Millionen Lichtjahren Entfernung auslösen. Wenn ein Stern als Supernova explodiert, sprengt der explosive Energieausbruch die Materie des Sterns mit Hyperschallgeschwindigkeit nach außen und erzeugt eine Schockwelle in alle Richtungen. Falls sich ein Begleitstern in der Umgebung befindet, wird die Störung der Schockwelle in den Daten aufgezeichnet. Die Wissenschaftler fanden keine Hinweise auf einen Begleitstern und schlussfolgerten, dass die Ursache in der Kollision und Verschmelzung zweier einander eng umkreisender Sterne liegen musste, höchstwahrscheinlich zwei Weiße Zwerge.

Die Entfernung zu einer Galaxie des Kepler-Surveys zu kennen, war der Schlüssel für die Bestimmung des Supernova-Typs bei den von Olling und seinen Kollegen entdeckten Ereignissen. Um die Distanz zu bestimmen, verwendete das Team die leistungsfähigen Gemini- und W.M Keck Observatorien auf dem Gipfel des Mauna Kea in Hawaii. Diese Messungen waren entscheidend für die Schlussfolgerung der Forscher, dass die von ihnen entdeckten Supernovae zum Typ der Ia-Standardkerzen gehörten.

“Das Weltraumteleskop Kepler hat noch eine andere Überraschung vorgebracht, die eine unerwartete Rolle bei der Erforschung von Supernovae spielt: Es lieferte die ersten gut untersuchten frühen Lichtkurven von Supernovae des Typs Ia”, sagte Steve Howell, Kepler-Projektwissenschaftler am Ames Research Center der NASA in Moffett Field (Kalifornien). “Im Rahmen seiner neuen Mission namens K2 wird das Weltraumteleskop nach weiteren Supernovae in vielen tausend Galaxien suchen.”

Eine andere Gruppe Astronomen hat ebenfalls erstaunliche Daten einer anderen Supernova untersucht. Unter Leitung des Doktoranden Yi Cao vom California Institute of Technology (Caltech) hat ein Team mit Daten des Swift-Teleskops einen beispiellosen Ultraviolettblitz in den ersten paar Tagen einer Typ-Ia-Supernova registriert. Basierend auf Computersimulationen von Supernova-Explosionen in Doppelsternsystemen denken die Forscher, dass der Ultraviolettblitz emittiert wurde, als die Schockwelle der Supernova auf einen nahen Begleitstern traf und ihn einhüllte.

Diese Animation zeigt ein Doppelsternsystem, das aus einem Weißen Zwerg und einem Begleitstern besteht. Der Weiße Zwerg zieht Materie von seinem Begleiter ab, überschreitet dadurch eine kritische Grenzmasse und explodiert als Supernova des Typs Ia. (NASA / Goddard Space Flight Center / Walt Feimer)

“Wenn Swift nur einen oder zwei Tage später geschaut hätte, hätten wir den plötzlichen Ultraviolettblitz komplett verpasst”, sagte Brad Cenko, ein Swift-Teammitglied vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland). “Dank Swifts Wellenlängenabdeckung und der schnellen Planungsfähigkeit ist es derzeit das einzige Weltraumteleskop, das regelmäßig solche Beobachtungen machen kann.”

Der Analyse zufolge trafen die Supernova-Überreste auf den Begleitstern und hüllten ihn ein, wodurch eine Region mit Ultraviolettemissionen erzeugt wurde. Die Spitzentemperatur überstieg 11.000 Grad Celsius – das ist etwa doppelt so heiß wie die Oberflächentemperatur der Sonne.

Die Explosion mit der Bezeichnung iPTF14atg wurde erstmals am 3. Mai 2014 in der Galaxie IC 831 entdeckt, rund 300 Millionen Lichtjahre entfernt in Richtung des Sternbildes Coma Berenices (Haar der Berenike). Sie wurde mit einem automatischen Weitfeld-Beobachtungssystem registriert, der sogenannten Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF). Dabei handelt es sich um eine Zusammenarbeit mehrerer Institute unter Leitung der Caltech Optical Observatories in Kalifornien.

“Wir sahen auf Bildern aus der vorherigen Nacht keinen Hinweis auf diese Explosion, daher fanden wir die Supernova iPTF14atg, als sie gerade einmal einen Tag alt war”, sagte Cao. “Besser noch, wir bestätigten, dass es eine junge Supernova des Typs Ia war. Wir arbeiteten hart daran, dass unser System sie aufspüren kann.”

Das Team beantragte umgehend Nachfolgebeobachtungen bei anderen Einrichtungen, darunter Ultraviolett- und Röntgenbeobachtungen mit dem Swift-Satelliten der NASA. Obwohl keine Röntgenstrahlen registriert wurden, fing Swifts Ultraviolet/Optical Telescope innerhalb von ein paar Tagen nach der Explosion eine sich abschwächende Spitze ultravioletten Lichts ein. Eine übereinstimmende Spitze in sichtbaren Wellenlängen gab es nicht. Nachdem sich der Blitz abschwächte, stieg die Helligkeit in ultravioletten und sichtbaren Wellenlängen gemeinsam an, als die Supernova heller wurde.

Der Ultraviolettblitz von iPTF14atg liefert überzeugende Belege für die Anwesenheit eines Begleitsterns. Aber weil kollidierende Weiße Zwerge ebenso Supernovae erzeugen können (wie die Kepler-Ergebnisse zeigen), arbeiten Astronomen daran, den Prozentsatz der Supernovae zu bestimmen, die auf die jeweiligen Szenarien zurückzuführen sind.

Die Wissenschaftler ergänzten, dass ein bessere Kenntnisse über die Unterschiede zwischen Typ-Ia-Explosionen Astronomen helfen werde, ihr Wissen über die Dunkle Energie zu erweitern – eine rätselhafte Kraft, die die kosmische Expansion zu beschleunigen scheint.

Das Ames Research Center leitet die Kepler- und K2-Missionen für das Science Mission Directorate der NASA. Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena (Kalifornien) leitete die Entwicklung der Kepler-Mission. Ball Aerospace & Technologies Corp. steuert das Flugsystem mit Unterstützung des Laboratory for Atmospheric and Space Physics an der University of Colorado in Boulder.

Swift startete am 20. November 2004 in seine Umlaufbahn. Die Mission wird vom Goddard Space Flight Center in Zusammenarbeit mit der Penn State University in University Park (Pennsylvania), dem Los Alamos National Laboratory in New Mexico und Orbital Sciences Corp. in Dulles (Virginia) geleitet. Andere Partner sind die University of Leicester und das Mullard Space Science Laboratory Großbritannien, das Brera Observatory und die Italian Space Agency in Italien, sowie weitere Partner in Deutschland und Japan.

Quelle: http://www.nasa.gov/ames/kepler/nasa-spacecraft-capture-rare-early-moments-of-baby-supernovae

(THK)