Die Beobachtung einer Supernova mit einer ungewöhnlichen chemischen Signatur könnte den Schlüssel zur Lösung des lange bestehenden Rätsels um den Ursprung dieser gewaltigen Explosionen enthalten. Die Beobachtungen wurden mit den Magellan Teleskopen am Las Campanas Observatory der Carnegie Institution for Science in Chile durchgeführt und waren entscheidend für den Nachweis der Wasserstoffemissionen, die diese Supernova namens ASASSN-18tb so einzigartig macht. Die Studie wurde von einem Astronomenteam unter Führung von Juna Kollmeier von der Carnegie Institution geleitet. Nidia Morrell, Anthony Piro, Mark Phillips und Josh Simon von der Carnegie Institution wirkten ebenfalls an der Studie mit.
Ihre Arbeit wird in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.
Typ-Ia-Supernovae spielen eine entscheidende Rolle dabei, das Universum zu verstehen. Dank ihrer Helligkeit können sie über große Distanzen hinweg beobachtet und als kosmische Entfernungsmesser verwendet werden, was im Jahr 2011 zum Nobelpreis für Physik führte. Außerdem synthetisieren ihre gewaltigen Explosionen viele der Elemente, aus denen die Welt um uns herum aufgebaut ist. Sie werden bei der Explosion in den Weltraum katapultiert und dienen als Grundlage für zukünftige Sterne und Sternsysteme.
Obwohl Wasserstoff das häufigste Element im Universum ist, wird es fast nie in Supernova-Explosionen des Typs Ia beobachtet. Der Mangel an Wasserstoff ist tatsächlich eines der Definitionsmerkmale dieser Supernova-Kategorie und wird für einen Schlüsselhinweis darauf angesehen, was vor ihren Explosionen passierte. Deshalb war die Beobachtung von Wasserstoffemissionen bei dieser Supernova so überraschend.
Typ-Ia-Supernovae entstehen aus der thermonuklearen Explosion eines Weißen Zwergs, der Teil eines Doppelsternsystems ist. Weiße Zwerge sind die toten Kerne von sonnenähnlichen Sternen, die ihren Brennstoff aufgebraucht haben. Aber was genau die Explosion des Weißen Zwergs auslöst, ist ein großes Rätsel. Die vorherrschende Theorie besagt, dass der Weiße Zwerg Materie von seinem Begleitstern abzieht – ein Prozess, der letztendlich die Explosion auslösen könnte. Aber ob dies die korrekte Theorie ist, wird seit Jahrzehnten heiß diskutiert.
Das führte das Forschungsteam hinter dieser Studie dazu, eine umfangreiche Untersuchung an Typ-Ia-Supernovae (100IAS genannt) durchzuführen. Die Studie begann, als Kollmeier mit den Co-Autoren Subo Dong (Peking University) und Doron Kushnir (Weizmann Institute of Science) über den Ursprung dieser Supernovae sprach. Zusammen mit Boaz Katz (Weizmann Institute of Science) hatten die Co-Autoren eine neue Theorie über Supernova-Explosionen des Typs Ia entwickelt, die auf der gewaltigen Kollision zweier Weißer Zwerge beruht.
Astronomen untersuchten sorgfältig die chemischen Signaturen der während dieser Explosionen abgestoßenen Materie, um die Mechanismen und Faktoren zu verstehen, die an der Entstehung von Typ-Ia-Supernovae beteiligt sind.
In den vergangenen Jahren haben Astronomen eine kleine Anzahl seltener Typ-Ia-Supernovae entdeckt, die in große Mengen Wasserstoff eingebettet sind – möglicherweise so viel wie das Massenäquivalent unserer Sonne. Aber in verschiedenen Aspekten unterscheidet sich ASASSN-18tb von diesen früheren Ereignissen.
“Es ist möglich, dass der Wasserstoff, den wir bei der Beobachtung von ASASSN-18tb sahen, eine ähnliche Eigenschaft wie bei diesen früheren Supernovae ist, aber es gibt einige verblüffende Unterschiede, die nicht so leicht zu erklären sind”, sagte Kollmeier.
Erstens wurden diese in Wasserstoff eingebetteten Typ-Ia-Supernovae in allen früheren Fällen in jungen, sternbildenen Galaxien gefunden, wo reichlich wasserstoffreiches Gas vorhanden sein könnte. Aber ASASSN-18tb trat in einer Galaxie auf, die aus alten Sternen besteht. Zweitens ist die Menge des von ASASSN-18tb abgestoßenen Wasserstoffs deutlich geringer als in der Umgebung anderer Typ-Ia-Supernovae beobachtet wurde. Möglicherweise entspricht die Menge nur ungefähr einem Hundertstel der Sonnenmasse.
“Eine spannende Möglichkeit ist, dass wir sehen, wie Materie von dem Begleitstern weggerissen wird, wenn die Supernova mit ihm kollidiert”, sagte Anthony Piro. “Wenn das der Fall ist, wäre es die allererste Beobachtung eines solchen Ereignisses.”
“Ich habe ein Jahrzehnt lang nach dieser Signatur gesucht”, sagte der Co-Autor Josh Simon. “Schließlich fanden wir sie, aber sie ist so selten, was ein wichtiges Puzzleteil für die Lösung des Rätsels ist, wie Supernovae des Typs Ia entstehen.”
Nidia Morrell beobachtete in dieser Nacht, und sie leitete die Daten des Teleskops sofort an das Team weiter. Dazu gehörten der Doktorand Ping Chen, der für seine Doktorarbeit an 100IAS arbeitet, sowie Jose Luis Prieto von der Universidad Diego Portales, ein Veteran auf dem Gebiet der Beobachtung von Supernovae. Chen war der erste, der erkannte, dass dies kein typisches Spektrum war. Alle waren total überrascht angesichts dessen, was sie in dem Spektrum von ASASSN-18tb sahen.
“Ich war schockiert und dachte mir ‘Könnte das wirklich Wasserstoff sein?'”, erinnerte sich Morrell.
Um die Beobachtung zu diskutieren, traf sich Morrell mit dem Teammitglied Mark Phillips, einem Pionier auf dem Gebiet der inoffiziell nach ihm benannten Beziehung, welche die Verwendung von Typ-Ia-Supernovae als kosmische Entfernungsmesser erlaubt. Phillips war überzeugt: “Es ist Wasserstoff, was Sie gefunden haben; keine andere mögliche Erklärung.”
“Dies ist ein unkonventionelles Supernova-Beobachtungsprogramm, aber ich bin eine unkonventionelle Beobachterin – vielmehr eine Theoretikerin”, sagte Kollmeier. “Es ist ein extrem mühsames Projekt für unser Team. Die Beobachtung dieser Dinge schwierig, weil sie per Definition mit der Zeit schwächer und schwächer werden. Es ist nur an einem Ort wie der Carnegie Institution möglich, wo der Zugang zu den Magellan Teleskopen uns erlaubt, zeitaufwändige und manchmal anstrengende kosmische Experimente durchzuführen. Ohne Fleiß kein Preis.”
(THK)
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