Neue Studie untersucht die Entstehung von Staub in Supernovae

Ein Bild des Pferdekopfnebels im Sternbild Orion, aufgenommen in sichtbaren Wellenlängen. Der Staub der Dunkelwolke blockiert das Licht des hellen Nebels im Hintergrund. (Credits: NASA / Hubble, and Nigel A. Sharp, NOAO / AURA / NSF)
Ein Bild des Pferdekopfnebels im Sternbild Orion, aufgenommen in sichtbaren Wellenlängen. Der Staub der Dunkelwolke blockiert das Licht des hellen Nebels im Hintergrund. (Credits: NASA / Hubble, and Nigel A. Sharp, NOAO / AURA / NSF)

Staubkörnchen im interstellaren Medium sind verantwortlich für die dramatischen Formen, welche die hellen Nebel verdunkeln, beispielsweise der Pferdekopfnebel. Die Staubkörnchen absorbieren ultraviolette und sichtbare Wellenlängen, und wenn sie sich in Molekülwolken oder anderen Regionen mit hoher Dichte ansammeln, blockieren sie das Hintergrundlicht aus unserer Sicht. Etwa ein Prozent der Masse des interstellaren Mediums liegt in der Form von Staub vor; der Rest ist Gas, hauptsächlich Wasserstoff.

Staub spielt auch wichtige Rollen im Lebenszyklus von Sternen und Galaxien. Staub und Moleküle kühlen das Gas ab und stoßen den Sternbildungsprozess an. Die Staubkörnchen helfen bei der Molekülbildung, weil sich Gasatome an ihre kalten Oberflächen heften und dann miteinander interagieren. Beim Vorhandensein ionisierender Strahlung bewahren die Staubkörnchen die Moleküle auch vor der Zerstörung. Nicht zuletzt strahlt der Staub auch die Wärmeenergie in infraroten Wellenlängen ab, und leuchtkräftige Galaxien werden oft von den infraroten Wellenlängen dominiert, die der Staub in ihnen emittiert.

Staubkörnchen bestehen aus Elementen, die in Sternen produziert wurden, insbesondere Silizium und Kohlenstoff. Ihre Oberflächen können darüber hinaus von Schichten aus Wassereis oder anderen Arten gefrorener Moleküle überzogen sein. Staub ist daher eine wichtige Quelle für Elemente in einer Galaxie und hilft bei der Regulierung der Elementhäufigkeiten und bei deren Transport. In den ersten paar Milliarden Jahren des Universums, vor allem in der Epoche, als die Sternentstehungsprozesse am aktivsten waren, machten all diese Effekte die Rolle des Staubs besonders wichtig. Aber woher kommt der Staub?

Es ist bekannt, dass die Kerne der Staubkörnchen in der abgestoßenen dichten Materie von Supernovae und in den langsamen, dichten Winden alter Riesensterne entstehen. Aber Staubkörnchen können auch durch Strahlung oder heißes Gas zerstört werden, insbesondere durch Schockwellen und Kollisionen zwischen den Körnchen, was typischerweise ebenfalls von Supernovae verursacht wird. Infolge dessen gab es in der Theorie eine stetige Unsicherheit über ein scheinbares Ungleichgewicht zwischen der Zerstörung der Körnchen und deren Bildungsraten. Eine vorgeschlagene Lösung besagte, dass die Akkretion von Gas auf vorher existierende Kerne dabei hilft, die Häufigkeit des Staubs aufrechtzuerhalten, aber die Theorie erfordert trotzdem, dass Kerne mit ausreichend hohen Raten produziert werden.

Der Astronom Jonathan Slavin vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) leitete eine Gruppe, die untersuchte, wie viel des durch Supernovae produzierten Staubs in das interstellare Medium entweichen kann. Die Forscher vervollständigten neue hydrodynamische Berechnungen zur Entwicklung von Staubkörnchen basierend auf Beobachtungen der Cassiopeia A Supernova, die rund 11.000 Lichtjahre entfernt liegt. Sie verfolgten die Entwicklung der Staubkörnchen von der Entstehung in dichten Materieregionen bis zum Durchlaufen von Schockwellen und anderen destruktiven Prozessen.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass größere Staubkörnchen (mit Radien, die für silikatbasierte Körnchen etwas kleiner als die Wellenlänge von Licht und für kohlenstoffbasierte Körnchen etwa halb so groß sind) überleben können, während noch kleinere Körnchen zerstört werden. Wenn diese größeren Körnchen erst einmal in das interstellare Medium abgestoßen wurden, machen ihre hohen Geschwindigkeiten sie anfällig für die Zerstörung aufgrund von Kollisionen. Aber den Forschern zufolge überleben etwa 10-20 Prozent der silikatbasierten Körnchen und 30-50 Prozent der kohlenstoffbasierten Körnchen. Sie schlussfolgern, dass Supernovae tatsächlich wichtige Beiträge zum Staubgehalt liefern können, wobei die Supernova eines 19 Sonnenmassen schweren Sterns etwa eine Zehntel Sonnenmasse Staub produziert.

Abhandlung: “The Dynamics, Destruction, and Survival of Supernova-formed Dust Grains” von Jonathan D. Slavin, Eli Dwek, Mordecai-Mark Mac Low und Alex S. Hill, The Astrophysical Journal 902, 135, 2020.

Quelle

(THK)

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