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Astronomie+Physik

Erste Beobachtung einer Elektroneinfang-Supernova

Supernova
Die Supernova 2018zd (Weißer Fleck rechts) (Bild: NASA/STSCI/J. Depasquale; Las Cumbres Observatory)

Zwei Arten von Sternexplosionen sind schon länger bekannt, für eine dritte fehlten jedoch bisher eindeutige Beobachtungsbelege. Jetzt haben Astronomen erstmals ein Beispiel für diesen dritten Typ, die sogenannte Elektronen-Einfang-Supernova, identifiziert. Diese 2018 beobachtete Sternexplosion wurde demnach ausgelöst, weil die enorme Schwerkraft Elektronen im Sternenkern in ihre Atomkerne drückte. Dies verursachte den Kollaps des Sterns und damit die Supernova. Die neuen Daten werfen nun außerdem neues Licht auf den berühmten Krebsnebel – den leuchtenden Überrest einer im Mittelalter am Himmel sichtbaren Supernova.

Typischerweise gibt es zwei Hauptauslöser für die Explosion eines Sterns: Bei einer Kernkollaps-Supernova hat ein massereicher Stern von mehr als zehn Sonnenmassen seinen Fusionsbrennstoff weitgehend verbraucht. Dadurch lässt die Kernfusion nach und es entsteht nicht mehr genug nach außen gerichteter Strahlungsdruck, um die Schwerkraftwirkung des Sternenmaterials auszugleichen. Als Folge kollabiert der Sternenkern und es kommt zur Explosion. Die zweite Art, eine thermonukleare Supernova vom Typ Ia, ereignet sich in Doppelsternsystemen. Wenn dort ein masseärmerer Stern von bis zu acht Sonnenmassen zu einem Weißen Zwerg wird, saugt er oft Material von seinem Begleiter ab. Überschreitet er dabei eine Massengrenze, kommt es zur Explosion. Doch was passiert mit Sternen, die zwischen acht und zehn Sonnenmassen schwer sind?

Kollaps durch Elektroneneinfang

Eine Theorie zum Ende solcher mittelschweren Sterne haben vor rund 40 Jahren Kenichi Nomoto von der Universität Tokio und andere formuliert. Demnach blähen sich diese Sterne zunächst zu Riesen auf, während in ihrem Kern die Kernfusion Atome so weit verschmilzt, bis ein Großteil des Kerns aus Sauerstoff, Neon und Magnesium besteht. Dann jedoch stoppt die Fusion, weil der Druck im Kern nicht ausreicht, um den nächsten Schritt, die Fusion zu Eisenatomen, anzustoßen. Als Folge lässt der Strahlungsdruck nach und die Gravitation komprimiert die Atome im Kern so stark, dass Elektronen in die Atomkerne gedrückt werden. Dieser als Elektroneneinfang bezeichnete Prozess führt dazu, dass der Kern instabil wird und in einer Supernova explodiert. So weit die Theorie. Bisher jedoch ist es nicht gelungen, die Existenz dieses Supernova-Typs anhand astronomischer Beobachtungen eindeutig zu beweisen. „Es konnte keine Supernovae als durch Elektroneneinfang verursacht identifiziert werden – auch weil die theoretischen Vorhersagen teils unklar waren“, berichten Daichi Hiramatsu vom Las Cumbres Observatorium in Kalifornien.

Jetzt jedoch könnte es erstmals gelungen sein, eine Elektroneneinfang-Supernova aufzuspüren. Die Sternexplosion wurde im März 2018 in einer 31 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie beobachtet und in den folgenden zwei Jahren mit verschiedenen Teleskopen auf der Erde und im Orbit weiterverfolgt. „Wir haben dadurch einen wirklich ausgezeichneten, vollständigen Datensatz, der vom Ausstrahlen bis zum Verblassen reicht“, erklärt Co-Autorin Azalee Bostroem von der University of California in Davis. Zusätzlich gelang es dem Astronomenteam, durch Vergleiche mit älteren Aufnahmen der Weltraumteleskope Hubble und Spitzer Aufnahmen des Vorgängersterns zu finden. Diese legen nahe, dass es sich bei dem Vorgängerstern tatsächlich um einen sogenannten Super-AGB-Stern handelt – einen Roten Riesen mit untypischem Sauerstoff-Neon-Kern.

Aus der Kombination aller Daten ermittelten die Astronomen sechs Merkmale, die dafür sprechen, dass es sich bei der Supernova 2018zd um eine Elektroneneinfang-Supernova handelt. Dazu gehören neben dem Vorgängerstern auch starke Massenverluste schon vor der Explosion, eine ungewöhnliche Zusammensetzung des Lichtspektrums, eine vergleichsweise schwache Explosion sowie wenig Radioaktivität und einen neutronenreichen Kern. „All diese Eigenschaften von SN 2018zd können durch eine Elektroneinfang-Supernova erklärt werden“, sagt Hiramatsu.

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Erklärung auch für den Krebsnebel

Nach Ansicht der Astronomen sprechen ihre Beobachtungen daher dafür, dass es sich bei der Supernova 2018zd tatsächlich um diesen bisher nur theoretisch postulierten dritten Typ von Supernovae handelt. „Das war ein echter ‚Heureka‘-Moment für uns, da wir nun dazu beitragen können, die 40 Jahre alte Theorie zu bestätigen“, sagt Hiramatsu. Nomoto kommentierte dazu: „Ich freue mich sehr, dass die Elektroneneinfang-Supernova endlich entdeckt worden ist. Das ist ein wunderbares Beispiel dafür, wie sich Theorie und Beobachtungen ergänzen.“

Die Entdeckung der Elektroneneinfang-Supernova könnte aber auch neues Licht auf eines der bekanntesten Supernova-Relikte überhaupt werfen: den Krebsnebel. Dieses rund 6300 Lichtjahre entfernt im Sternbild Stier liegende Gebilde aus leuchtenden Gasen entstand durch eine Sternexplosion im Jahr 1054. Aufzeichnungen chinesischer Astronomen zufolge war diese Supernova damals 23 Tage lang sogar tagsüber am Himmel zu sehen, nachts strahlte das Nachglühen der Explosion noch zwei Jahre lang. Doch obwohl der Überrest dieser Supernova einer der am besten untersuchten überhaupt ist, war bisher strittig, durch welche Art von Sternexplosion er zustande kam. Die durch die Beobachtung von SN 2018zd gewonnenen Erkenntnisse helfen nun jedoch, einige der vorher schwer erklärbaren Merkmale des Krebsnebels zuzuordnen und legen nahe, dass auch er durch eine Elektroneneinfang-Supernova entstand. „Der Begriff ‚Rosetta-Stein‘ wird zwar oft als Analogie verwendet, aber in diesem Fall passt er wirklich“, sagt Co-Autor Andrew Howell vom Las Cumbres Observatory. „Denn die Supernova 2018zd hilft uns nun, tausend Jahre alte Aufzeichnungen aus aller Welt zu dekodieren. Und es hilft uns dabei, das Phänomen, das wir zuvor nicht verstanden, den Krebsnebel, mit einem gut dokumentierten Ereignis wie dieser Supernova zu verknüpfen.“

Quelle: Daichi Hiramatsu (Las Cumbres Observatory, Goleta, California) et al., Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-021-01384-2

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