Blick auf die Entstehung eines super-kompakten Himmelskörpers: Astronomen haben eine Supernova-Explosion in einem Doppelsternsystem beobachtet, bei der ein Partner sich in einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch verwandelt hat. Es handelt sich dabei um den ersten direkten Nachweis, dass diese besonderen Himmelskörper aus einer Supernova hervorgehen können, sagen die Wissenschaftler.
Astronomische Paukenschläge, begleitet von gleißendem Licht: Zu den Supernova-Explosionen vom Typ 2 kommt es, wenn ein massereicher Stern seinen Vorrat an Brennmaterial verbraucht hat und unter seinem eigenen Gewicht kollabiert. Dabei werden enorme Energiemengen frei, die sich mit gigantischer Wucht entladen. Astronomen gehen davon aus, dass nach dieser Form der Supernova-Explosion ein extrem kompakter Überrest aus dem Stern entsteht: Wenn er besonders massereich war, verwandelt er sich dabei in ein Schwarzes Loch – ein Objekt mit so starker Gravitationswirkung, dass nicht einmal Licht entweichen kann. Bei etwas geringerer Ausgangsmasse entsteht hingegen ein Neutronenstern – ebenfalls ein extrem dichter Himmelskörper.
Astronomische Beobachtungen haben die Entstehung dieser super-kompakten Objekte nach Supernova-Explosionen bereits belegt. Allerdings richtete sich der Blick dabei auf die Überbleibsel in einer späteren Phase – bisher wurde der Prozess selbst noch nicht in Echtzeit beobachtet. „In unserer Arbeit stellen wir jetzt eine solche direkte Verbindung her“, sagt Ping Chen vom Weizmann Institute of Science in Rehovot. Er ist der Erst-Autor der Veröffentlichung im Magazin Nature – eine der zwei Studien, die über die Entdeckung berichten. Beide basieren auf der Entdeckung eines Amateurastronomen: Berto Monard erkannte im Mai 2022 in der 75 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie NGC 157 das Leuchten einer Supernova. Anschließend nahmen zwei Astronomenteams diese als SN 2022jli bezeichnete Sternexplosion ins Visier.
„Flackern“ nach der Supernova
Dabei stellten die Astronomen unabhängig voneinander eine Besonderheit fest, die zu den beiden Veröffentlichungen geführt hat. Nach der Explosion nimmt die Helligkeit der meisten Supernovae normalerweise stetig ab – ein gleichmäßiger Rückgang in der Lichtkurve ist zu verzeichnen. Doch bei SN 2022jli war das nicht der Fall: Die Gesamthelligkeit schwand zwar, doch etwa alle zwölf Tage flackerte SN 2022jli etwas auf. „In den Daten sehen wir eine sich wiederholende Abfolge von Aufhellung und Abschwächung“, sagt Thomas Moore von der Queen’s University in Belfast – der Erst-Autor der zweiten Studie, die im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde. „Dies ist das erste Mal, dass wiederholte periodische Oszillationen über viele Zyklen hinweg in der Lichtkurve einer Supernova nachgewiesen wurden“, heißt es in der Studie.
Beide Astronomenteams kamen zu der gleichen Erklärung für dieses Phänomene: Sie gehen davon aus, dass die Anwesenheit von mehr als einem Stern im System SN 2022jli den Effekt verursachte. Mit anderen Worten: Die Supernova fand in einem Doppelsternsystem statt. Das Besondere war dabei, dass der Begleitstern die Explosion seines Partners überlebt hat. Offenbar umkreisen sich nun das Überbleibsel der Supernova und der Begleitstern weiterhin, erklären die Astronomen. Die Autoren der Nature-Veröffentlichung konnten dazu auch genauere Informationen vorlegen, die auf Daten einer Reihe von Messinstrumenten basieren, darunter der X-Shooter am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile.
Ein Neutronenstern oder Schwarzes Loch machen sich bemerkbar
In den Daten fanden die Forschenden Hinweise auf periodische Bewegungen von Wasserstoffgas und Ausbrüche von Gammastrahlen in dem System. Erklären lassen sie sich durch Entwicklungsprozesse nach der Supernova: Demnach blähte sich die wasserstoffreiche Atmosphäre des Begleitsterns auf, als er mit dem Material interagierte, das bei der Explosion ausgestoßen wurde. Durch diese „Blase“ machte sich dann das kompakte Überbleibsel des explodierten Partners bemerkbar: Immer wenn es auf seiner Umlaufbahn durch die Atmosphäre des Begleitsterns raste, zog es Gas an sich und bildete dadurch eine heiße, hell leuchtende Materiescheibe um sich herum. Dieser periodische Effekt machte sich dann in den Beobachtungen als regelmäßige Helligkeitsschwankung bemerkbar, erklären die Astronomen.
Direkt erkennen lässt sich das kompakte Objekt, das die Materie aus der aufgeblähten Atmosphäre des Begleitsterns an sich reißt, zwar nicht. Doch seiner Wirkung zufolge muss es sich um einen unsichtbaren Neutronenstern oder um ein Schwarzes Loch handeln, folgern die Forschenden. Somit ließ sich nun erstmals ein direkter Zusammenhang zwischen dem explosiven Tod eines massereichen Sterns und der Entstehung der kompaktesten Objekte im Universum aufzeigen.
Das spannende System soll nun auch weiter im Fokus der Astronomie bleiben. Denn möglicherweise lassen sich noch genauere Hinweise auf die Beschaffenheit des kompakten Objekts oder die weitere Entwicklung des Doppelsternsystems erkennen. Dabei hoffen die Astronomen unter anderem auf den verschärften Blick, den das Extremely Large Telescope der ESO ermöglichen könnte, das zurzeit im Bau ist und noch in diesem Jahrzehnt in Betrieb genommen werden soll.
Quelle: ESO, Fachartikel: Nature doi: 10.1038/s41586-023-06787-x
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06787-x
The Astrophysical Journal Letters, doi: 10.3847/2041-8213/acfc25
Auf Tuchfühlung mit der Sonne
