Astronomen beobachten erstmals die Frühphase einer Supernova

Wenn ein massereicher Stern explodiert, ist dies über Millionen Lichtjahre hinweg zu sehen. Doch bisher war unklar, wie die frühesten Phasen einer solchen Supernova aussehen. Jetzt ist es Astronomen erstmals gelungen, die Geometrie dieses Anfangsstadiums der Explosion zu beobachten. Schon 26 Stunden nach dem Aufleuchten einer Supernova in rund 22 Millionen Lichtjahren Entfernung verfolgten sie, wie die Schockwelle der Explosion die Oberfläche des Sterns durchbrach. Dies enthüllte erstmals die tatsächliche Form dieses Ausbruchs: Die Schockwelle der Supernova trat in einer olivenähnlichen Struktur aus der Sternenoberfläche aus. Diese elliptische, symmetrische Form der Explosion liefert wertvolle Informationen über den Mechanismus bei einer solchen Supernova. Gleichzeitig widerlegt es auch einige Modelle, die von einer amorphen, nicht symmetrischen Schockwelle ausgehen.

Die Form und Größe eines Sterns beruhen auf einem fein abgestimmten Gleichgewicht zweier Kräfte: die Gravitationswirkung seiner Masse zieht ihn zusammen, während der von der Kernfusion in seinem Inneren erzeugte Strahlungsdruck nach außen wirkt. Über weite Teile des stellaren Lebenszyklus halten sich diese Kräfte die Waage, die Größe des Sterns verändert sich nur wenig. Das ändert sich jedoch, wenn der Wasserstoffvorrat des Sterns zur Neige geht. Dann überwiegt für einige Zeit der Strahlungsdruck und bläht den Stern zu einem Roten Riesen oder Überriesen auf. Wenn dann jedoch auch der letzte Fusionsbrennstoff verbraucht ist, lässt die nach außen wirkende Kraft nach. Als Folge beginnt der Sternenkern, unter seiner eigenen Schwerkraft zu kollabieren. Dabei stürzen die umgebenden Materialschichten zunächst nach innen, dann kommt es zu einem Rückprall, durch den Material wieder nach außen geschleudert wird – es kommt zur Supernova-Explosion, die den Stern zerstört.

Ungeklärte Anfangsstadien

Sichtbar wird eine Supernova dann, wenn die Schockwelle der Explosion die Sternenoberfläche durchbricht. Dies setzt enorme Energien in Form von Strahlung und schnellen Teilchen frei. Die Sternexplosion ist nun auch aus weiter Entfernung sichtbar. „Die Geometrie einer Supernova-Explosion liefert grundlegende Informationen über die Sternentwicklung und die physikalischen Prozesse, die zu diesem kosmischen Feuerwerk führen“, erklärt Erstautor Yi Yang von der Tsinghua Universität in China. Denn wie genau die Schockwelle entsteht und durch den Stern rast, ist noch immer nicht vollständig geklärt. Das liegt auch daran, dass die dafür nötigen Informationen – beispielsweise die Ausrichtung und Symmetrie der Explosion – nur in der Frühphase der Supernova erkennbar sind. Später erschweren Wechselwirkungen der Schockwelle mit dem Material um den sterbenden Stern die Beobachtung.

Die Chance, diese entscheidende Frühphase zu beobachten, bot sich Yang und seinem Team am 10. April 2024: Ein Teleskop entdeckte einen neu aufstrahlenden Lichtpunkt in der rund 22 Millionen Lichtjahre entfernten Spiralgalaxie NGC 3621 – nach astronomischen Maßstäben relativ nah. Über ein automatisches Alarmsystem erhielt Yang die Mitteilung, als er gerade in San Francisco gelandet war. Daraufhin beantragte der Astronom sofort Beobachtungszeit am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile, um die SN 2024ggi getaufte Supernova zu beobachten. Urheber der Sternexplosion war ein Roter Überriese mit 12 bis 15 Sonnenmassen und einem Radius, der 500-mal größer war als der der Sonne. Damit ist SN 2024ggi ein klassisches Beispiel für die Explosion eines massereichen Sterns.

Ausbruch in Form einer Olive

Den Astronomen gelang es, kurzfristig Beobachtungszeit am Very Large Telescope zu bekommen: Schon 26 Stunden nach Entdeckung der Supernova nahmen sie den Lichtpunkt mit dem am VLT installierten FORS2-Instrument ins Visier. Dieses ist das einzige auf der Südhalbkugel, das die nötige Auflösung und Technik besitzt, um die Form einer solchen Supernova genauer zu erfassen. Möglich ist dies mithilfe der Spektropolarimetrie, die Ausrichtung und Spektrum des bei der Sternexplosion freigesetzten polarisierten Lichts analysiert. „Die Spektropolarimetrie liefert Informationen über die Geometrie der Explosion, die mit anderen Beobachtungsmethoden nicht zugänglich sind, weil die Winkelskalen viel zu klein sind“, erklärt Co-Autor Lifan Wang von der Texas A&M University. Obwohl der explodierende Stern nur als einzelner Punkt erscheint, enthält die Polarisation seines Lichts Hinweise auf seine Geometrie. „Unsere Beobachtungskampagne bei SN 2024ggi hat einen der beiden frühesten spektropolarimetrischen Datensätze eines solchen kurzlebigen Ereignisses erbracht“, berichten die Astronomen. „Der andere wurde 1,36 Tage nach dem Schockwellen-Durchbruch der Supernova SN 2023ixf gemessen.“

(Video: ESO)

Die Beobachtungdaten von SN 2024ggi zeigten, wie die ersten Photonen der stellaren Schockwelle aus der Oberfläche des sterbenden Sterns hervorbrachen. „Der Rest des Schocks war noch in die optische dichte Atmosphäre des Sterns oder das zirkumstellare Medium eingebettet“, berichten Yang und seine Kollegen. Das aus der Sternenoberfläche hinausschießende Material war dabei zunächst symmetrisch und elliptisch – seine Form ähnelte der einer Olive. Als sich dann die Explosion im Verlauf der nächsten Stunden nach außen ausbreitete, kollidierte sie mit dem Material der Sternenhülle. Dadurch flachte sich ihre Form ab, behielt aber ihre Symmetrie und Ausrichtung bei. „Diese Ergebnisse deuten auf einen gemeinsamen physikalischen Mechanismus hin, der die Explosion vieler massereicher Sterne antreibt – er zeigt eine klar definierte axiale Symmetrie und wirkt auf großen Skalen“, erklärt Yang. Der dabei wirkende Mechanismus prägt dabei die Explosion vom ersten Schockwellen-Ausbruch bis in die Phase der Ausdehnung der Explosion.

Durch diese Beobachtungen können die Astronomen einige der bestehenden Supernova-Modelle ausschließen und andere präzisieren. So widerlegt die symmetrische Form der Schockwelle von SN 2024ggi einige Supernova-Modelle, nach denen kleinräumige Instabilitäten oder der Einfluss von Neutrinos zu einer amorphen und nicht symmetrischen Explosion führen. „Diese Entdeckung verändert nicht nur unser Verständnis stellarer Explosionen, sondern zeigt auch, was möglich ist, wenn Wissenschaft Grenzen überwindet“, sagt Co-Autor Ferdinando Patat von der ESO. „Sie unterstreicht, dass Neugier, Zusammenarbeit und rasches Handeln tiefe Einblicke in die Physik liefern können, die unser Universum prägt.“

Quelle: Yi Yang (Tsinghua University, Beijing) et al., Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adx2925

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar