Sternexplosion im Gammalicht

Die außergewöhnliche Helligkeit und regelmäßigen Lichtkurven im optischen Spektralbereich machen Supernovae vom Typ Ia zu wertvollen Entfernungsmessern in der modernen Kosmologie. Forschern um Eugene Churazov vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching gelang es nun, eine solche Sternexplosion direkt im Gammabereich nachzuweisen. Die in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlichte Studie stützt die gängige Theorie, dass eine Typ-Ia-Supernova offenbar auf die thermonukleare Explosion eines Weißen Zwergsterns zurückgeht.

Weiße Zwerge – die ausgebrannten Kerne von gewöhnlichen Sternen wie unserer Sonne – bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Befinden sie sich in einem Doppelsternsystem, kann Materie von einem engen Begleitstern auf diese Himmelskörper überströmen. Durch die zusätzliche Masse können erneut Kernfusionen einsetzen und zu einer Explosion des Weißen Zwergs führen. Im Verlauf dieser Supernova werden Kohlenstoff und Sauerstoff weiter fusioniert und dabei riesige Mengen eines radioaktiven Nickelisotops erzeugt. Die anschließende Zerfallskette von Nickel zu Kobalt und schließlich zu Eisen liefert große Mengen an Energie in Form von Gammastrahlen. Im expandierenden Material, das durch die Explosion ausgestoßen wurde, wird dieses Gammalicht in optische Strahlung umgewandelt und lässt die Supernova so über Monate leuchten.

Spektrum der Typ-Ia-Supernova SN2014J

Churazov und seine Kollegen werteten nun Beobachtungen der etwas mehr als zehn Millionen Lichtjahre von uns entfernten Supernova SN2014J aus, die mit dem Gammastrahlenobservatorium INTEGRAL fünfzig bis hundert Tage nach deren Ausbruch aufgenommen worden waren. Das Team registrierte deutlich die beiden hellsten Gammalinien vom radioaktiven Zerfall des Isotops Kobalt-56. „Die Linienflüsse deuten darauf hin, dass eine ungeheure Menge an radioaktivem Nickel bei der Explosion synthetisiert wurde, mehr als die Hälfte der Masse unserer Sonne“, berichtet Churazov. Anhand der Linienformen im aufgezeichneten Spektrum schließen die Forscher, dass die Wolke aus radioaktivem Material sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 000 Kilometern pro Sekunde ausbreitet.

Anfangs ist das Material noch so dicht, dass die Gammastrahlen, die vom radioaktiven Zerfall von Nickel zu Kobalt stammen, einen Großteil ihrer Energie verlieren. Der anschließende Zerfall von Kobalt zu Eisen dauert viel länger, mit einer Halbwertszeit von etwa 111 Tagen. Während dieser Zeit wird das ausgestoßene Material zunehmend transparenter, sodass Gammastrahlen mehr und mehr entweichen können und damit die Supernova nach etwa drei Monaten zu einer hellen Quelle von charakteristischen Kobalt-56-Gammastrahlen machen.

Weitere Vergleiche mit mehreren gängigen theoretischen Modellen, die auf exakte Berechnungen der Nukleosyntheseprozesse bei der Explosion beruhen, zeigen eine gute Übereinstimmung der SN2014J-Daten mit Modellen für Supernovae des Typs Ia, bei denen ein Weißer Zwerg die kritische Masse erreicht und detoniert. Modelle, bei denen die Masse deutlich kleiner ist, sowie reine Detonationsmodelle, lassen sich durch diese Beobachtungen in der Spiralgalaxie M 82 bereits ausschließen. Trotz vieler experimenteller Daten und Simulationen bleibt die detaillierte Physik einer Supernova vom Typ Ia umstritten.