Supernovas sind einige der energischsten und mächtigsten Ereignisse im beobachtbaren Universum. Und obwohl wir wissen, dass Supernovae für die Schaffung der schweren Elemente verantwortlich sind, die für alles von Planeten über Menschen bis hin zu Elektrowerkzeugen erforderlich sind, haben Wissenschaftler lange darum gekämpft, die Mechanik hinter dem plötzlichen Zusammenbruch und der anschließenden Explosion massereicher Sterne zu bestimmen.
Dank der NuSTAR-Mission der NASA haben wir jetzt unsere ersten soliden Hinweise darauf, was passiert, bevor ein Stern „boomt“.
Das Bild oben zeigt den Supernova-Rest Cassiopeia A (oder kurz Cas A) mit NuSTAR-Daten in Blau und Beobachtungen des Chandra-Röntgenobservatoriums in Rot, Grün und Gelb. Es ist die Schockwelle, die von der Explosion eines Sterns übrig geblieben ist, der vor über 330 Jahren etwa 15- bis 25-mal so massereich war wie unsere Sonne *, und die je nach Temperatur und Art der vorhandenen Elemente in verschiedenen Lichtwellenlängen leuchtet.
Frühere Beobachtungen mit Chandra ergaben Röntgenemissionen von expandierenden Schalen und Filamenten aus heißem eisenreichem Gas in Cas A, aber sie konnten nicht tief genug blicken, um eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, was sich in der Struktur befindet. Erst als das Nuclear Spectroscopic Telescope Array der NASA - für Kenner NuSTAR - seine Röntgenvision auf Cas A richtete, konnten die fehlenden Puzzleteile gefunden werden.
Und sie bestehen aus radioaktivem Titan.
Es wurden viele Modelle hergestellt (die Millionen von Stunden Supercomputerzeit verwenden), um zu versuchen, Kernkollaps-Supernovas zu erklären. Einer der führenden hat den Stern durch mächtige Jets, die von seinen Polen abgefeuert werden, auseinandergerissen - etwas, das mit noch stärkeren (aber fokussierten) Gammastrahlenausbrüchen verbunden ist. Es schien jedoch nicht, dass Jets die Ursache für Cas A waren, das keine elementaren Überreste in seinen Jet-Strukturen aufweist ... und außerdem führten die Modelle, die sich nur auf Jets verlassen, nicht immer zu einer ausgewachsenen Supernova.
Wie sich herausstellt, deutet das Vorhandensein asymmetrischer Klumpen radioaktiven Titans tief in den Schalen von Cas A, die von NuSTAR in energiereichen Röntgenstrahlen entdeckt wurden, auf einen überraschend anderen Prozess hin: ein „Schwappen“ von Material innerhalb des Vorläufers Stern, der eine Schockwelle auslöst und sie schließlich auseinander reißt.
Sehen Sie sich eine Animation an, wie dieser Prozess abläuft:
Das Schwappen, das über einen Zeitraum von nur ein paar hundert Millisekunden auftritt - buchstäblich im Handumdrehen - wird mit kochendem Wasser auf einem Herd verglichen. Wenn die Blasen die Oberfläche durchbrechen, bricht der Dampf aus.
Nur in diesem Fall führt der Ausbruch zur wahnsinnig starken Detonation eines ganzen Sterns, wobei eine Stoßwelle energiereicher Teilchen in das interstellare Medium gesprengt und ein Periodensystem voller schwerer Elemente in die Galaxie gestreut wird.
Im Fall von Cas A wurde Titan-44 in Klumpen ausgestoßen, die die Form der ursprünglichen Schwappasymmetrie widerspiegeln. NuSTAR war in der Lage, das Titan abzubilden und abzubilden, das aufgrund seiner Radioaktivität im Röntgenlicht leuchtet (und nicht, weil es durch expandierende Stoßwellen erwärmt wird, wie andere leichtere Elemente, die für Chandra sichtbar sind).
"Bis wir NuSTAR hatten, konnten wir nicht wirklich in den Kern der Explosion sehen", sagte der Caltech-Astronom Brian Grefenstette während einer NASA-Telefonkonferenz am 19. Februar.
„Bisher war es schwierig zu interpretieren, was in Cas A vor sich ging, da das Material, das wir sehen konnten, nur in Röntgenstrahlen leuchtet, wenn es aufgeheizt ist. Jetzt, da wir das radioaktive Material sehen können, das auf jeden Fall in Röntgenstrahlen leuchtet, erhalten wir ein vollständigeres Bild davon, was im Kern der Explosion vor sich ging. “
- Brian Grefenstette, Hauptautor, Caltech
Okay, so toll, sagst du. NuSTAR der NASA hat das Leuchten von Titan in den Resten eines aufgeblasenen Sterns gefunden. Chandra sah etwas Eisen, und wir wissen, dass es einen Bruchteil einer Sekunde schwappte und "kochte", bevor es explodierte. Na und?
"Jetzt sollten Sie sich darum kümmern", sagte der Astronom Robert Kirshner vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Supernovae stellen die chemischen Elemente her. Wenn Sie also ein amerikanisches Auto gekauft haben, wurde es vor zwei Jahren nicht in Detroit hergestellt. Die Eisenatome in diesem Stahl wurden in einer alten Supernova-Explosion hergestellt, die vor fünf Milliarden Jahren stattfand. Und NuSTAR zeigt, dass das Titan in der Ersatzhüfte Ihres Onkels Jack auch bei dieser Explosion hergestellt wurde.
"Wir sind alle Sternenstaub und NuSTAR zeigt uns, woher wir kommen. Einschließlich unserer Ersatzteile. Also solltest du dich darum kümmern… und dein Onkel Jack auch. “
Und NuSTAR kann nicht nur Supernovae des Kernkollapses untersuchen. Andere Arten von Supernovae werden ebenfalls untersucht - im Fall von SN2014J, einem Typ Ia, der im Januar in M82 entdeckt wurde, sogar unmittelbar nachdem sie aufgetreten sind.
"Wir wissen, dass dies eine Art weißer Zwergstern ist, der detoniert", antwortete die NuSTAR-Ermittlerin Fiona Harrison während der Telefonkonferenz dem Space Magazine. "Das sind sehr aufregende Neuigkeiten ... NuSTAR hat sich seit Wochen mit [SN2014J] befasst, und wir hoffen, auch etwas über diese Explosion sagen zu können."
Eine der wertvollsten Errungenschaften der jüngsten NuSTAR-Erkenntnisse besteht darin, dass künftigen Modellen von Kernkollaps-Supernovas neue Einschränkungen auferlegt werden müssen, die Antworten - und wahrscheinlich neue Fragen - darauf geben, wie Sterne explodieren, sogar Hunderte oder Tausende Jahre nachdem sie es tun.
"NuSTAR ist ein Pionier der Wissenschaft, und Sie müssen damit rechnen, dass neue Ergebnisse so viele Fragen aufwerfen, wie Sie beantworten", sagte Kirshner.
NuSTAR wurde im Juni 2012 gestartet und ist das erste fokussierte harte Röntgenteleskop, das die Erde umkreist, und das erste Teleskop, das Karten radioaktiver Elemente in Supernova-Überresten erstellen kann.
Lesen Sie hier mehr über die JPL-Pressemitteilung und hören Sie sich hier die vollständige Pressekonferenz an.
* Da Cas A 11.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, würde das tatsächliche Datum der Supernova vor etwa 11.330 Jahren liegen. Gib oder nimm ein paar.
