Mit Kepler auf der Suche nach explodierenden Sternen

Als der Astronom Ed Shaya 2012 in seinem Büro saß und Daten des NASA-Weltraumteleskops Kepler anschaute, bemerkte er etwas Ungewöhnliches: Das Licht einer Galaxie war rasch um zehn Prozent heller geworden. Der plötzliche Helligkeitsanstieg begeisterte Shaya, aber machte ihn auch nervös. Der Effekt könnte durch die gewaltige Explosion eines Sterns erklärt werden (eine Supernova), oder – etwas beunruhigender – durch einen Computerfehler.

“Ich weiß nur noch, dass ich an dem Tag nicht wusste, ob ich es glauben sollte oder nicht”, erinnerte er sich. Anstatt zu feiern, dachte er sich: “Habe ich einen Fehler gemacht? Habe ich alles falsch gemacht?”

Stellare Explosionen verschmelzen und verbreiten die Materie, aus der die Welt besteht, in der wir leben. Und sie enthalten Hinweise darauf, wie schnell das Universum expandiert. Indem sie Supernovae verstehen, können Wissenschaftler Geheimnisse enträtseln, die der Schlüssel zum Schicksal unseres Universums sind und zu dem, woraus wir bestehen. Aber um das komplette Bild zu erhalten, müssen Wissenschaftler Supernovae aus einer Vielzahl an Perspektiven beobachten, insbesondere in den ersten Momenten der Explosion. Das ist wirklich schwierig – es gibt keine Anzeichen, wann oder wo eine Supernova als nächstes stattfinden könnte.

Eine kleine Astronomengruppe mit Beteiligung Shayas, erkannte, dass Kepler eine neue Methode für die Jagd nach Supernovae bieten könnte. Kepler startete im Jahr 2009 und ist bekannt dafür, tausende Exoplaneten entdeckt zu haben. Aber als ein Teleskop, das über lange Zeitspannen hinweg einzelne Regionen am Himmel beobachtet, kann es auch eine wahre Truhe mit anderen kosmischen Schätzen einfangen – vor allem jene, die sich schnell verändern oder plötzlich auftauchen und verschwinden, so wie Supernovae.

“Kepler eröffnete eine neue Möglichkeit, den Himmel zu beobachten”, sagte Jessie Dotson, Kepler-Projektwissenschaftlerin am Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley. “Es wurde entworfen, um eine Sache wirklich gut zu machen, und das war das Aufspüren von Planeten um andere Sterne. Um das zu tun, musste es hochpräzise, kontinuierliche Daten liefern, was sich für andere astronomische Fachgebiete als nützlich erwiesen hat.”

Ursprünglich suchten Shaya und seine Kollegen in den Kepler-Daten nach aktiven galaktischen Kernen. Ein aktiver galaktischer Kern ist ein extrem helles Gebiet im Zentrum einer Galaxie, wo ein hungriges Schwarzes Loch von einer Scheibe aus heißem Gas umgeben ist. Sie hatten darüber nachgedacht, Supernovae zu suchen, aber weil Supernovae so seltene Ereignisse sind, erwähnten sie es in ihrem Plan nicht. “Es war zu zweifelhaft”, sagte Shaya.

Shaya und sein Kollege Robert Olling von der University of Maryland waren unsicher, ob das von ihm gefundene Signal echt war, und verbrachten Monate damit, eine Software zur besseren Kalibrierung der Kepler-Daten zu entwickeln, die Temperaturveränderungen und die Ausrichtung des Instruments berücksichtigt. Das Supernova-Signal war immer noch vorhanden.

Tatsächlich fanden sie in der Kepler-Stichprobe von über 400 Galaxien sogar noch fünf weitere Supernovae. Als Olling eines der Signale Armin Rest zeigte, der jetzt als Astronom am Space Telescope Science Institute in Baltimore tätig ist, klappte Rests Kiefer herunter. “Ich begann zu sabbern”, sagte er. Die Tür zu einer neuen Möglichkeit, stellare Explosionen zu verfolgen und zu verstehen, war aufgestoßen.

Heute sind diese Astronomen Mitglieder des Kepler Extra-Galactic Survey – einer Zusammenarbeit von sieben Wissenschaftlern in den Vereinigten Staaten, Australien und Chile, die nach Supernovae und aktiven galaktischen Kernen suchen, um die Physik unseres Universums zu erforschen. Bislang haben sie unter Verwendung von Daten des Weltraumteleskops Kepler mehr als 20 Supernovae gefunden, darunter einen exotischen Typ, der von Rest in einer neuen Studie im Journal Nature Astronomy beschrieben wird.

“Wir haben einige der am besten verstandenen Supernovae”, sagte Brad Tucker, ebenfalls Mitglied des Kepler Extra-Galactic Survey und Astronom am Mt. Stromlo Observatory der Australien National University.

Warum interessieren uns Supernovae?

Ein lange bestehendes Rätsel in der Astrophysik ist, wie und warum Sterne auf verschiedene Arten explodieren. Ein Supernova-Typ tritt auf, wenn ein dichter, toter Stern explodiert, ein sogenannter Weißer Zwerg. Ein zweiter Typ passiert, wenn sich ein einzelner Riesenstern dem Ende seines Lebens nähert und sein Kern den auf ihn wirkenden Gravitationskräften nicht mehr widerstehen kann. Die Einzelheiten dieser allgemeinen Kategorien werden noch ausgearbeitet.

Der erste Typ trägt die Bezeichnung Ia (ausgesprochen als “Eins A”) und stellt etwas Besonderes dar, weil jede Supernova dieses Typs fast gleich hell ist. Astronomen haben dies als Standardeigenschaft zur Messung der Expansion des Universums verwendet und festgestellt, dass die weiter entfernten Supernovae weniger hell waren als erwartet. Das sprach dafür, dass sie weiter entfernt waren, als die Wissenschaftler vermuteten, weil das Licht aufgrund des expandierenden Raums gedehnt wurde. Dadurch wurde belegt, dass das Universum mit einer beschleunigten Rate expandiert, wofür die Forscher im Jahr 2011 den Nobelpreis erhielten. Die führende Theorie besagt, dass eine rätselhafte Kraft namens “Dunkle Energie” alles im Universum immer schneller voneinander wegdrückt.

Diese Animation zeigt den Ablauf einer Typ-Ia-Supernova, bei der der Weiße Zwerg Materie von einem Begleitstern abzieht. (Credits: NASA / JPL-Caltech)

Aber weil Astronomen immer mehr Beispiele für Typ-Ia-Supernovae finden, Kepler eingeschlossen, erkennen sie, dass nicht alle auf die gleiche Art und Weise entstehen. Manche dieser Supernovae entstehen, wenn ein Weißer Zwerg seinem Begleitstern zu viel Materie stiehlt, andere sind die Folge einer Verschmelzung von zwei Weißen Zwergen. Das Verschmelzungsszenario könnte häufiger vorkommen. Mehr Supernovaforschung mit Kepler wird Astronomen bei der Aufgabe helfen festzustellen, ob verschiedene Typ-Ia-Mechanismen darin resultieren, dass manche Supernovae heller sind als andere. Das würde ihrer Verwendung für die Messung der Expansion des Universums in die Parade fahren.

Diese Animation zeigt den Ablauf einer Typ-Ia-Supernova, bei der zwei Weiße Zwerge miteinander verschmelzen. (Credits: NASA / JPL-Caltech)

“Um ein besseres Verständnis über die Eingrenzung der Dunklen Energie zu bekommen, müssen wir besser verstehen, wie diese Typ-Ia-Supernovae entstehen”, sagte Rest.

Ein anderer Supernova-Typ, die “Kernkollaps”-Variante, geschieht, wenn ein massereicher Stern sein Leben mit einer Explosion beendet. Dazu zählen Supernovae des Typs II. Diese Supernovae erzeugen eine charakteristische Schockwelle, die von Kepler erstmals in sichtbaren Wellenlängen abgebildet wurde. Das Kepler Extra-Galactic Survey Team unter Leitung von Peter Garnavich, einem Astrophysik-Professor an der University of Notre Dame in Indiana, entdeckte die Schockwelle im Jahr 2011 in Kepler-Daten einer Supernova namens KSN 2011d. Es handelte sich dabei um die Explosion eines Sterns, der 500 Mal größer als unsere Sonne war.

Diese Animation zeigt den Ablauf einer Kernkollaps-Supernova. (Credits: NASA / JPL-Caltech)

Überraschenderweise fand das Team keine Schockwelle in einer kleineren Typ-II-Supernova namens KSN 2011a, deren Stern die 300-fache Sonnengröße hatte. Stattdessen stellten die Wissenschaftler fest, dass die Supernova in eine Staubhülle eingebettet war, was darauf hindeutet, dass auch Supernovae des Typs II vielfältig sind.

Kepler-Daten haben noch andere Rätsel um Supernovae offenbart. Die neue Studie von Rest beschreibt eine Supernova anhand von Daten, die im Rahmen der erweiterten Kepler-Mission K2 gesammelt wurden. Die Supernova erreichte ihre Spitzenhelligkeit in etwas mehr als zwei Tagen – das ist zehnmal schneller als andere dafür brauchen. Sie ist das extremste bekannte Beispiel einer FELT-Supernova (Fast-Evolving Luminous Transient). FELT-Supernovae sind ungefähr so hell wie die Typ-Ia-Variante, aber werden in weniger als zehn Tagen heller und schwächen sich dann innerhalb von etwa 30 Tagen ab. Es ist möglich, dass der Stern rund ein Jahr vor der Explosion eine dichte Gashülle abstieß, und als die Supernova stattfand, traf die fortgeschleuderte Materie auf die Hülle. Die bei dieser Kollision freigesetzte Energie würde den raschen Helligkeitsanstieg erklären.

Diese Animation zeigt den Ablauf einer FELT-Supernova. (Credits: NASA / JPL-Caltech)

Warum Kepler?

Teleskope auf der Erde liefern viele Informationen über explodierende Sterne, allerdings nur über kurze Zeitperioden – und auch nur, wenn die Sonne untergeht und der Himmel klar ist. Deshalb ist es schwer, die “Vorher”- und “Nachher”-Effekte dieser Explosionen zu dokumentieren. Kepler dagegen bietet Astronomen die seltene Möglichkeit, einzelne Regionen am Himmel kontinuierlich über Monate hinweg zu überwachen, ähnlich wie eine ständig aktive Dashcam im Auto. Die primäre Kepler-Mission von 2009 bis 2013 beobachtete in der Tat vier Jahre lang denselben Himmelsausschnitt und machte etwa alle 30 Minuten ein Bild. In der erweiterten K2-Mission hält das Teleskop seinen Blick für bis zu drei Monate lang starr.

Mit bodengestützten Teleskopen können Astronomen die Farbe der Supernova bestimmen und wie sie sich mit der Zeit verändert. Dadurch können sie feststellen, welche chemischen Substanzen in der Explosion vorhanden sind. Die Zusammensetzung der Supernova hilft den Typ des explodierten Sterns zu ermitteln. Kepler dagegen enthüllt, wie und warum der Stern explodiert, sowie Einzelheiten zum Ablauf der Explosion. Die Verwendung beider Datensätze erlaubt Astronomen, ein vollständigeres Bild vom Supernova-Verhalten zu zeichnen als jemals zuvor.

Die Kepler-Missionsplaner reaktivierten das Teleskop im Jahr 2013 nach der Fehlfunktion des zweiten seiner vier Reaktionsräder – das sind Geräte, welche die Ausrichtungssteuerung des Teleskops unterstützen. In der K2 genannten Konfiguration muss es nur etwa alle drei Monate gedreht werden, was Beobachtungskampagnen erlaubt. Mitglieder des Kepler Extra-Galactic Survey plädierten dafür, dass Kepler in der K2-Mission neben Exoplaneten immer noch Supernovae und andere exotische, ferne astrophysikalische Objekte beobachten könnte.

Die Möglichkeiten waren so aufregend, dass das Kepler-Team zwei K2-Beobachtungskampagnen ansetzte, die besonders nützlich für koordinierte Supernova-Untersuchungen mit bodengestützten Teleskopen sind. Kampagne 16, die am 7. Dezember 2017 begann und am 25. Februar 2018 endete, umfasste 9.000 Galaxien. In der gerade beginnenden Kampagne 17 wird es circa 14.000 Galaxien geben. In beiden Kampagnen blickt Kepler in Richtung Erde, so dass Beobachter auf der Oberfläche den gleichen Himmelsausschnitt sehen können wie das Weltraumteleskop. Die Kampagnen begeistern die wissenschaftliche Gemeinschaft, die von dieser seltenen Zusammenarbeit zwischen Kepler und Teleskopen auf dem Erdboden profitieren kann.

Kürzlich versetzte eine mögliche Sichtung am diesjährigen Superbowl-Sonntag Astronomen in Aufregung, auch wenn sie nichts mit dem Sport zu tun hatten. An diesem Tag registrierte der All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASASSN) eine Supernova in dem Gebiet, das Kepler überwachte. Dies ist nur eines von vielen Kandidatenereignissen, die von Wissenschaftlern mit Spannung untersucht werden, um die Geheimnisse des Universums vielleicht etwas besser zu verstehen.

Vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA, dessen Start für den 16. April 2018 geplant ist, könnten noch weitere Supernovae dazukommen. In der Zwischenzeit werden die Forscher viel Arbeit vor sich haben, nachdem sie den kompletten Datensatz der supernovaorientierten K2-Kampagnen zur Verfügung haben.

“Es wird eine Schatztruhe voller Supernova-Informationen für die nächsten Jahre sein”, sagte Tucker.

Das Ames Research Center betreibt 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. Die Ball Aerospace & Technologies Corporation steuert das Flugsystem mit Unterstützung des Laboratory for Atmospheric and Space Physics an der University of Colorado in Boulder.

Quelle

(THK)