Auf einem Schnappschuss des Weltraumteleskops Hubble wurden drei verschiedene Stadien einer Supernova-Explosion festgehalten. Der Stern explodierte vor mehr als elf Milliarden Jahren, als das Universum weniger als ein Fünftel seines heutigen Alters von 13,8 Milliarden Jahren besaß.
Dies ist der erste detaillierte Blick auf eine Supernova, die so früh in der Geschichte des Universums stattfand. Die Studie könnte Wissenschaftlern helfen, mehr über die Entstehung von Sternen und Galaxien im jungen Universum zu erfahren. Die Abbilder der Supernova sind auch besonders, weil sie die frühen Stadien einer stellaren Explosion zeigen.
“Es ist recht selten, dass eine Supernova in einem derart frühen Stadium registriert werden kann, weil dieses Stadium wirklich kurz ist”, sagte Wenlei Chen, der Erstautor der Studie und Postdoktorand an der Schook of Physics and Astronomy der University of Minnesota. “Es dauert nur wenige Stunden bis ein paar Tage und es kann sogar bei einem nahen Ereignis leicht verpasst werden. Auf demselben Bild können wir auch eine Bildsequenz sehen – wie mehrere Gesichter einer Supernova.”
Das war möglich wegen eines Phänomens, das als Gravitationslinseneffekt bekannt ist, und das erstmals von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. In diesem Fall agierte die immense Gravitation des Galaxienhaufens Abell 370 als kosmische Linse, die das Licht der weiter entfernten Supernova hinter dem Galaxienhaufen beugte und verstärkte.
Die Verzerrung produzierte auch Mehrfachabbilder der Explosion in verschiedenen Zeitperioden, die alle gleichzeitig bei der Erde ankamen und auf einem einzigen Hubble-Bild festgehalten wurden. Das war nur möglich, weil die verstärkten Abbilder unterschiedliche Bahnen durch den Galaxienhaufen nahmen. Das lag zum einen an Unterschieden in der Länge der Bahnen, denen das Licht der Supernova folgte, und zum anderen an der Verlangsamung der Zeit und der Krümmung des Raums aufgrund der Gravitation.
Die Hubble-Aufnahme hielt auch die schnelle Farbveränderung der sich abschwächenden Supernova fest, was auf eine Temperaturveränderung hindeutet. Je blauer die Farbe, desto heißer ist die Supernova. Das früheste abgebildete Stadium erscheint blau. Als sich die Supernova abkühlte, wurde ihr Licht rötlicher.
“Man sieht verschiedene Farben in den drei unterschiedlichen Abbildern”, sagte der Studienleiter Patrick Kelly, ein Assistenzprofessor an der School of Physics and Astronomy der University of Minnesota. “Man hat den massereichen Stern, der Kern kollabiert, er erzeugt eine Schockwelle, er heizt sich auf und dann sieht man ihn im Laufe einer Woche abkühlen. Ich glaube, das ist wahrscheinlich eins der erstaunlichsten Dinge, die ich je gesehen habe.”
Es ist auch das erste Mal, dass Astronomen die Größe eines sterbenden Sterns im jungen Universum messen konnten. Das basierte auf der Helligkeit und der Abkühlungsrate der Supernova, die beide von der Größe des Vorläufersterns abhängen. Hubble-Beobachtungen zeigen, dass der rote Überriese, dessen Supernova-Explosion die Forscher entdeckten, rund 500 Mal größer als die Sonne war.
Chen, Kelly und ein internationales Astronomenteam fanden diese Supernova, indem sie die Hubble-Datenarchive durchforsteten und nach temporären Ereignissen suchten. Chen schrieb Algorithmen für maschinelles Lernen, um diese Ereignisse zu finden, aber dies war das einzige identifizierte Mehrfachabbild einer Supernova.
Chen und Kelly haben Beobachtungszeit für das James Webb Space Telescope geplant, um sogar noch weiter entferntere Supernovae zu beobachten. Sie hoffen, dass sie zu einem Katalog mit sehr weit entfernten Supernovae beitragen können, um Astronomen dabei helfen zu verstehen, ob die Sterne, die vor vielen Milliarden Jahren existierten, anders sind als jene im nahen Universum.
Die Studie des Teams trägt den Titel “Shock cooling of a red-supergiant supernova at redshift 3 in lensed images” und wurde am 10. November 2022 im Journal Nature veröffentlicht.
Das Weltraumteleskop Hubble ist ein Projekt internationaler Zusammenarbeit zwischen der NASA und der ESA. Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland) betreibt das Teleskop. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore führt die wissenschaftlichen Operationen Hubbles durch. Das STScI wird von der Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, D.C. für die NASA geleitet.
(THK)
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