Die Entdeckung einer neuen Art von Sternexplosion – einer Elektronen einfangenden Supernova – enthüllt ein mittelalterliches Mysterium

Ein Team unter der Leitung von Astronomen der University of California in Santa Barbara hat die Existenz einer schwer fassbaren neuen Art von Supernova bestätigt.

Ein globales Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of California in Santa Barbara am Las Cumbres Observatory hat den ersten überzeugenden Beweis für eine neue Art von Starburst entdeckt – eine Elektronen einfangende Supernova. Während Theorien über einen Zeitraum von 40 Jahren ausgearbeitet wurden, waren Beispiele aus dem wirklichen Leben schwer fassbar. Es wird angenommen, dass sie aus Explosionen von massereichen Super-Closed-Branched Giant-Branched (SAGB)-Sternen entstanden sind, für die es ebenfalls kaum Beweise gibt. Die Entdeckung wurde veröffentlicht in natürliche Astronomie, wirft auch ein neues Licht auf das Geheimnis der tausendjährigen Supernova von 1054 n. Chr., die tagsüber auf der ganzen Welt sichtbar war, bevor sie schließlich zum Krebsnebel wurde.

Historisch gesehen wurden Supernovae in zwei Haupttypen unterteilt: thermonuklearer Kollaps und Eisenkern. Eine thermonukleare Supernova ist die Explosion eines Weißen Zwergsterns, nachdem er Material in einem Doppelsternsystem aufgenommen hat. Diese Weißen Zwerge sind die dichten Aschekerne, die übrig bleiben, nachdem ein massearmer Stern (bis zu achtmal die Masse der Sonne) das Ende seines Lebens erreicht hat. Eine Supernova mit dem Zusammenbruch eines Eisenkerns tritt auf, wenn einem massereichen Stern – der 10-fache Masse der Sonne – der Kernbrennstoff ausgeht und sein Eisenkern kollabiert und ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern erzeugt. Zwischen diesen beiden Haupttypen von Supernovae gibt es eine Elektronen einfangende Supernova. Diese Sterne hören auf zu verschmelzen, wenn ihre Kerne aus Sauerstoff, Neon und Magnesium bestehen. Sie sind nicht massiv genug, um Eisen zu bilden.

Supernova 2018zd

Supernova 2018zd, markiert durch einen weißen Kreis an den Rändern der Galaxie NGC2146, ist das erste Beispiel für eine neue dritte Art von Supernova, die vor 40 Jahren vorhergesagt wurde. Zusammengesetztes Bild mit Daten des Hubble-Weltraumteleskops, des Las Cumbres-Observatoriums und anderer Quellen. Bildnachweis: Joseph DePasquale, STScI

Während die Schwerkraft immer versucht, einen Stern zu zertrümmern, ist das, was die meisten Sterne vom Kollaps abhält, entweder die fortgesetzte Fusion oder, in Kernen, in denen die Fusion aufgehört hat, die Tatsache, dass man Atome nicht enger zusammenfügen kann. In einer Elektroneneinfang-Supernova werden einige der Elektronen in den Sauerstoff-, Neon- und Magnesiumkernen ihrer Atomkerne in einem als Elektroneneinfang bezeichneten Prozess abgebaut. Diese Entfernung von Elektronen bewirkt, dass sich der Kern des Sterns unter seinem eigenen Gewicht verbiegt und kollabiert, was zu einer Supernova führt, die das Elektron einfängt.

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Wenn ein Stern etwas schwerer ist, können die Grundelemente zu schwereren Elementen verschmelzen und so seine Lebensdauer verlängern. Es ist also eine Art milder Umkehrmodus: Der Stern ist nicht leicht genug, um dem Zusammenbruch seines Kerns zu entgehen, noch ist er schwer genug, um sein Leben zu verlängern und später auf verschiedene Weise zu sterben.

Dies ist die Theorie, die 1980 von Kenichi Nomoto von der Universität Tokio und anderen formuliert wurde. Seit Jahrzehnten machen Theoretiker Vorhersagen darüber, wonach in einer Elektronen einfangenden Supernova und ihrem stellaren Vorgänger SAGB zu suchen ist. Die Sterne müssen viel Masse gehabt haben, viel davon ging vor der Explosion verloren, und diese Masse in der Nähe des sterbenden Sterns muss eine ungewöhnliche chemische Zusammensetzung gehabt haben. Dann muss die Elektronen einfangende Supernova schwach sein, wenig radioaktiven Niederschlag haben und neutronenreiche Elemente im Kern haben.

Ganz in der Nähe riesiger Aststern

Künstlerische Impressionen eines supergeschlossenen, riesigen Aststerns, dessen Kern aus Sauerstoff, Neon und Magnesium besteht. Dies ist der Endzustand von Sternen mit etwa 8-10 Sonnenmassen, deren Kerne elektronenunterstützten Druck haben. Wenn der Kern dicht genug ist, beginnen Neon und Magnesium die Elektronen zu verschlingen, was den Druck des Kerns verringert und zu einer Supernova-Explosion führt. Kredit: S. Wilkinson; Las Cumbres-Observatorium

Die neue Studie wurde von Daiichi Hiramatsu, einem Doktoranden an der University of California, Santa Barbara und dem Las Cumbres Observatory (LCO), geleitet. Hiramatsu ist ein Kernmitglied des Global Supernova Project, einem globalen Team von Wissenschaftlern, das Dutzende von Teleskopen auf der ganzen Welt und darüber hinaus verwendet. Das Team fand heraus, dass die Supernova SN 2018zd viele ungewöhnliche Eigenschaften aufweist, von denen einige erstmals in einer Supernova beobachtet wurden.

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Dazu beigetragen hat die Tatsache, dass die Supernova in NGC 2146 relativ nahe war – nur 31 Millionen Lichtjahre entfernt -. Dies ermöglichte es dem Team, Archivbilder des Hubble-Weltraumteleskops vor der Explosion zu untersuchen und den möglichen Vorgängerstern davor zu entdecken . explodiert. Die Beobachtungen stimmten mit einem anderen kürzlich identifizierten SAGB-Stern in der Milchstraße überein, aber nicht mit Modellen von Roten Riesenplaneten, den Vorfahren regelmäßiger Supernovae mit Eisenkernkollaps.

Die Autoren haben sich alle veröffentlichten Daten zu Supernovae angesehen und festgestellt, dass, während einige wenige vorhergesagte Indikatoren für Elektronen einfangende Supernovae haben, nur SN 2018zd alle sechs aufweist: einen klaren Vorgänger von SAGB, einen starken Massenverlust vor der Supernova und eine nicht- vorhandener Stern Normal. Chemische Zusammensetzung, schwache Explosion, geringe Radioaktivität und ein neutronenreicher Kern.

„Wir begannen mit der Frage ‚Was ist dieser Spinner?‘“, sagte Hiramatsu. „Dann haben wir jeden Aspekt von SN 2018zd untersucht und festgestellt, dass sie alle in einem Elektroneneinfangszenario erklärt werden können.“

Der Krebsnebel mit mehreren Wellenlängen

Dieses zusammengesetzte Bild des Krebsnebels wurde zusammengestellt, indem Daten von fünf Teleskopen kombiniert wurden, die fast die gesamte Breite des elektromagnetischen Spektrums abdecken. Bildnachweis: NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF und G. Dubner (Universität Buenos Aires)

Die neuen Entdeckungen werfen auch Licht auf einige der berühmtesten Supernovae der Vergangenheit. Im Jahr 1054 n. Chr. ereignete sich in der Milchstraße eine Supernova, die nach chinesischen und japanischen Aufzeichnungen so hell war, dass sie am Tag 23 Tage und nachts etwa zwei Jahre lang zu sehen war. Der daraus resultierende Überrest, der Krebsnebel, wurde sehr detailliert untersucht.

Der Krebsnebel war einst der beste Kandidat für eine Elektronen einfangende Supernova, aber sein Status war teilweise ungewiss, weil die Explosion vor fast tausend Jahren stattfand. Der neue Befund stärkt die Gewissheit, dass die historische SN 1054 eine Elektronen einfangende Supernova war. Es erklärt auch, warum diese Supernova im Vergleich zu den Modellen relativ hell ist: Ihre Leuchtkraft könnte durch Supernova-Kollisionen mit Material, das vom Vorläuferstern in SN 2018zd zu sehen ist, künstlich verstärkt worden sein.

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Ken Nomoto von der Kavli IPMU an der Universität Tokio freute sich über die Bestätigung seiner Theorie. „Ich freue mich sehr über die Entdeckung der Elektronen einfangenden Supernova, von der meine Kollegen und ich vor 40 Jahren vorhergesagt haben, dass sie existieren und mit dem Krebsnebel verwandt sein würde“, sagte er. “Ich schätze den großen Aufwand, der in die Beschaffung dieser Beobachtungen gesteckt wurde, sehr. Dies ist ein wunderbarer Fall, in dem Beobachtungen und Theorie miteinander kombiniert werden.”

Hiramatsu fügte hinzu: „Es war für uns alle ein ‚Heureka-Moment‘, in dem wir dazu beitragen können, den 40 Jahre alten theoretischen Zyklus zu schließen, und für mich persönlich, weil meine Karriere in der Astronomie mit dem Betrachten der erstaunlichen Bilder des Universums begann in der Highschool-Bibliothek, einer von ihnen Es war der ikonische Krebsnebel, der vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurde.”

“Der Begriff Rosetta Stone wird oft als Analogie verwendet, wenn wir ein neues astrophysikalisches Objekt finden, aber in diesem Fall denke ich, dass es angemessen ist. Diese Supernova hilft uns buchstäblich dabei, Tausende Jahre alte Aufzeichnungen aus Kulturen auf der ganzen Welt zu entziffern Wir verbinden etwas, das wir nicht ganz verstehen, den Krebsnebel, mit etwas anderem, das wir in unglaublichen jüngsten Aufzeichnungen haben, dieser Supernova. Dabei haben wir etwas über grundlegende Physik gelernt: wie sich manche Neutronensterne bilden und wie extreme Sterne leben und sterben, und wie die Elemente, aus denen wir bestehen, geformt und im ganzen Universum verbreitet werden.“ Howell ist auch der globale Supernova-Projektleiter und Hauptautor ist Hiramatsus Ph.D. Berater.

Referenz: 28. Juni 2021, natürliche Astronomie.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01384-2

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