Chandra offenbart die Natur der Elemente in Cassiopeia A

Der Supernova-Überrest Cassiopeia A, basierend auf Daten des Weltraumteleskops Chandra. (Credits: NASA / CXC / SAO)
Der Supernova-Überrest Cassiopeia A, basierend auf Daten des Weltraumteleskops Chandra. (Credits: NASA / CXC / SAO)

Woher stammen die meisten Elemente, die eine Voraussetzung für das Leben auf der Erde sind? Die Antwort: Aus den inneren Brennöfen von Sternen und den Explosionen, die den Tod mancher Sterne bedeuten. Astronomen untersuchen seit langer Zeit explodierte Sterne und ihre Überbleibsel, sogenannte Supernova-Überreste, um besser zu verstehen, wie genau die Sterne viele der auf der Erde vorkommenden Elemente produzieren und dann im Universum verteilen.

Aufgrund seines einzigartigen Entwicklungszustands ist Cassiopeia A (Cas A) einer der am umfassendsten untersuchten Supernova-Überreste. Ein neues Bild des Chandra X-ray Observatory zeigt die Verteilung der verschiedenen Elemente in den Überresten der Explosion: Silizium (rot), Schwefel (gelb), Calcium (grün) und Eisen (violett). Jedes dieser Elemente produziert Röntgenstrahlung in schmalen Energiebereichen, was die Kartierung ihrer Verbreitung erlaubt. Die Schockwelle der Explosion ist als der blaue, äußere Ring sichtbar.

Die Verteilung der einzelnen Elemente im Supernova-Überrest Cassiopeia A und dessen Schockwelle. (Credits: NASA / CXC / SAO)
Die Verteilung der einzelnen Elemente im Supernova-Überrest Cassiopeia A und dessen Schockwelle. (Credits: NASA / CXC / SAO)

Röntgenteleskope wie Chandra sind wichtig für die Untersuchung von Supernova-Überresten und der durch Supernovae produzierten Elemente, weil diese Ereignisse sogar noch tausende Jahre nach der Explosion extrem hohe Temperaturen im Bereich von Millionen Grad erzeugen. Das bedeutet, dass viele Supernova-Überreste, darunter Cassiopeia A, am stärksten in Röntgenwellenlängen leuchten, die mit anderen Teleskopen nicht beobachtbar sind.

Chandras scharfer Röntgenblick erlaubt Astronomen, detaillierte Informationen über die Elemente zu sammeln, die von Objekten wie Cassiopeia A produziert werden. Beispielsweise können sie nicht nur viele der vorhandenen Elemente identifizieren, sondern auch quantitativ feststellen, wie viel Masse in den interstellaren Weltraum abgestoßen wurde.

Die Chandra-Daten sprechen dafür, dass die Supernova, die Cassiopeia A hervorgebracht hat, riesige Mengen wichtiger kosmischer Elemente ausgespuckt hat. Cassiopeia A hat allein etwa 10.000 Erdmassen Schwefel und circa 20.000 Erdmassen Silizium verteilt. Das Eisen in Cassiopeia A besitzt das Äquivalent von 70.000 Erdmassen, und Astronomen registrieren, dass von Cassiopeia A rund eine Million Erdmassen an Sauerstoff in den Weltraum geschleudert werden. Das entspricht ungefähr drei Sonnenmassen. Sauerstoff ist zwar das häufigste Element in Cassiopeia A, aber seine Röntgenemissionen liegen in einem breiten Energiebereich und können im Gegensatz zu den anderen Elementen auf diesem Bild nicht isoliert dargestellt werden.

Astronomen haben neben den im neuen Bild gezeigten Elementen auch andere Elemente in Cassiopeia A gefunden. Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Wasserstoff wurden mit Hilfe anderer Teleskope nachgewiesen, die andere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums beobachten. In Kombination mit dem Nachweis von Sauerstoff bedeutet das, dass in Cassiopeia A all jene Elemente vorkommen, die für die Erstellung von DNA erforderlich sind – dem Molekül, das die genetischen Informationen trägt.

Das Periodensystem der Elemente. Die Grafik zeigt, durch welche Prozesse die jeweiligen Elemente entstanden sind. (Credits: NASA / CXC / K. Divona)
Das Periodensystem der Elemente. Die Grafik zeigt, durch welche Prozesse die jeweiligen Elemente entstanden sind. (Credits: NASA / CXC / K. Divona)

Sauerstoff ist das häufigste Element im menschlichen Körper (etwa 65 Massenprozent), Calcium hilft bei der Bildung gesunder Knochen und Zähne, und Eisen ist ein entscheidender Bestandteil roter Blutkörperchen, die den Sauerstoff durch den Körper transportieren. All der Sauerstoff im Sonnensystem stammt von explodierenden, massereichen Sternen. Ungefähr die Hälfte des Calciums und etwa 40 Prozent des Eisens stammen ebenfalls aus diesen Explosionen. Die Balance dieser Elemente wird durch die Explosionen von Sternen mit geringerer Masse unterstützt, sogenannten Weißen Zwergen.

Obwohl das genaue Datum noch nicht bestätigt wurde, vermuten viele Experten, dass die stellare Explosion, die Cassiopeia A schuf, im irdischen Zeitrahmen um das Jahr 1680 herum stattfand. Astronomen schätzen, dass der Stern kurz vor der Explosion circa fünf Sonnenmassen besaß. Sie vermuten, dass der Stern sein Leben mit einer Masse von rund 16 Sonnenmassen begann und durch starke Sternwinde mehrere hunderttausend Jahre vor der Explosion fast zwei Drittel seiner Masse verlor.

Früher in seiner Entwicklungsgeschichte begann der Stern in seinem Kern Wasserstoff und Helium zu schwereren Elementen zu verschmelzen – ein Prozess, der als Nukleosynthese bezeichnet wird. Die Energie aus der Verschmelzung immer schwererer Elemente stand der Gravitationskraft entgegen und versetzte den Stern in einen Gleichgewichtszustand. Diese Reaktionen setzten sich fort, bis sie Eisen im Kern des Sterns bildeten. An diesem Punkt würde eine weitere Nukleosynthese Energie verbrauchen anstatt freizusetzen, daher ließ die eigene Gravitation den Stern kollabieren und einen dichten stellaren Kern bilden, der als Neutronenstern bezeichnet wird.

Diese schematische Darstellung zeigt den Aufbau eines massereichen Sterns vor einer Supernova-Explosion. (Credits: NASA / CXC / S. Lee)
Diese schematische Darstellung zeigt den Aufbau eines massereichen Sterns vor einer Supernova-Explosion. (Credits: NASA / CXC / S. Lee)

Die genauen Ursachen, durch die nach dem Kollaps eine starke Explosion entsteht, sind kompliziert und ein Gegenstand intensiver Forschung, aber letztendlich wurde die auf den Neutronenstern stürzende Materie durch weitere Kernreaktionen umgewandelt, während sie durch die Supernova-Explosion nach außen katapultiert wurde.

Chandra hat Cassiopeia A seit seinem Start im Jahr 1999 mehrmals beobachtet. Die unterschiedlichen Datensätze haben neue Informationen über den Neutronenstern in Cassiopeia A geliefert, sowie über die Einzelheiten der Explosion und darüber, wie die Überreste in den Weltraum katapultiert werden.

Das Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville (Alabama) leitet das Chandra-Programm für das Science Mission Directorate der Agentur in Washington. Das Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge (Massachusetts) steuert Chandras Wissenschafts- und Flugoperationen.

Abhandlungen:
A Chandra X-ray Survey of Ejecta in the Cassiopeia A Supernova Remnant” von Hwang & Laming
X-ray observation of the shocked red supergiant wind of Cassiopeia A” von Lee et al.

Quelle

(THK)

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