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Astrophysik-Archiv ✔️ Nachrichten für die Finanzen
Bild eines mehrfarbigen Klecks.
Vergrößern / Ein Multi-Wellenlängen-Bild des Supernova-Überrests von Cassiopeia A.

Supernovae passieren. Wir haben genug von ihnen gesehen, da sind wir uns ziemlich sicher. Warum sie passieren, war ein ganz anderes Thema. Während wir daran gearbeitet haben, die Physik zu verstehen, die diese immensen Explosionen antreibt, haben wir gelegentlich peinliche Zeiten durchgemacht, in denen die Sterne in unseren Modellen aufhörten zu explodieren. Das Hinzufügen realistischerer Physik hat die Modelle im Allgemeinen wieder zum Boomen gebracht, und im Moment befinden wir uns in einer Zeit, in der die neuesten Modelle glücklich zu sein scheinen, sich selbst zu zerstören.

Die Herausforderung besteht darin, Beweise dafür zu finden, dass die Physik, die wir in unseren erfolgreichen Modellen verwenden, genau widerspiegelt, was in einem sterbenden Stern vor sich geht – keine leichte Aufgabe bei einem Ereignis, das einen Großteil der Beweise sofort zerstört.

Nun, Daten von der Chandra Röntgenobservatorium gibt einen Hinweis darauf, dass ein Mechanismus, der in neueren Supernova-Modellen verwendet wird, wahrscheinlich richtig ist. Die Ergebnisse werden in der dieswöchigen Ausgabe von Nature veröffentlicht.

Es boomt (meistens)

Die hier fraglichen Supernovae treten auf, wenn einem massereichen Stern der Treibstoff ausgeht und sein Kern kollabiert. Hier sehen Sie ein potenzielles Problem: Wie führt ein Zusammenbruch zu einer Explosion?

Die allgemeine Idee ist, dass der innere Kern des Sterns zu einem Neutronenstern kollabiert, sobald der Brennstoff ausgeht und die Fusion stoppt. Schichten über dem Kern, denen die Energie beraubt wurde, die sie nach außen drückte, stürzen in Richtung des Kerns, treffen den Neutronenstern und prallen zurück. Dieser Rückprall ist es dann, was die äußersten sichtbaren Schichten des Sterns in Stücke bläst.

Leider funktioniert dies nicht genau. Auch die äußeren Schichten des Sterns werden von der Energie abgeschnitten, die der Schwerkraft entgegenwirkt, und sie stürzen ebenfalls in Richtung Kern. Irgendwo im Inneren des Sterns werden die nach außen prallenden zurückprallenden Schichten auf die weiter entfernten Schichten treffen, die noch nach innen kollabieren. Das Ergebnis ist eine Schockfront, die zum Stillstand kommt, bevor sie die Oberfläche des Sterns erreicht. Nichts macht einen Boom.

Der Ausgleichspunkt wird jedoch nahe genug an der Sternoberfläche erreicht, sodass eine zusätzliche Energiezufuhr ausreichen würde, um die Dinge wieder in einen explodierenden Modus zu kippen. Und Physiker haben eine eher unwahrscheinliche Quelle für diese Energie gefunden: Neutrinos. Diese Teilchen zeichnen sich dadurch aus, dass sie selten mit anderer Materie wechselwirken, daher scheinen sie ein schrecklicher Kandidat zu sein, um Energie auf das Material zu übertragen, das in den äußeren Schichten des Sterns aufgewühlt wird. Aber so viele von ihnen werden während des Kernkollapses produziert, dass neutrinogetriebene Erwärmung eine Sache ist, auch wenn Sie Ihre Reste nicht wieder aufwärmen möchten.

Und das hat in diesem Zusammenhang zum Glück Konsequenzen. Das Material, das von Neutrinos erhitzt wird, versucht weiterhin, sich auszudehnen und dem Stern zu entkommen. Das Material, das nicht von Neutrinos gebacken wurde, tut immer noch sein Bestes, um zu kollabieren. Das Ergebnis ist eine dramatische Konvektion in den äußeren Schichten des Sterns, da kollabierende und explodierende Materialien aneinander vorbeiwirbeln. Dies hat das Potenzial, asymmetrische Explosionen zu erzeugen, was wir gesehen haben. Und es hat auch Konsequenzen für das ausgeworfene Material.

Das Einfrieren

Neutrino-getriebene Erwärmung mag etwas seltsam erscheinen, aber eine ihrer Folgen ist ebenso seltsam. Das erhitzte Material bildet, was Physiker eine „Hochentropie-Plume“ nennen. In diesem Fall bezieht sich die hohe Entropie einfach auf eine Kombination aus niedriger Dichte und extrem hohen Energien. Es ist hoch genug, dass einige der kürzlich gebildeten Atome in Protonen, Neutronen und Alphateilchen zerlegt werden, eine Kombination aus zwei Neutronen und zwei Protonen. (Ein Alphateilchen ist das gleiche wie der Kern eines typischen Heliumatoms.)

Wenn das Material jedoch abkühlt, sinken die Energie und Dichte so weit, dass all dieses Material beginnt, größere Atomkerne in einem Prozess zu bilden, der als alphareiches Ausfrieren bezeichnet wird. Dieser Prozess hat eine deutliche atomare Signatur, da die Physik des Freeze-out wahrscheinlich eine Reihe spezifischer Elemente und Isotope bildet. Wenn wir uns also die Überreste des explodierten Sterns ansehen, können wir möglicherweise Beweise dafür finden, dass ein alphareiches Freeze-out stattgefunden hat.

Detailliertes Bild, das die eisenreichen Hochgeschwindigkeitswolken unten links zeigt.
Vergrößern / Detailliertes Bild, das die eisenreichen Hochgeschwindigkeitswolken unten links zeigt.

Und genau das wurde in dieser neuen Studie getan. Eines der Isotope, die in alpha-reichen Freeze-outs produziert werden, ist 56Ni, das schnell zu zerfällt 56Fe. Und die bisherige Bildgebung der Supernova bleibt bei Kassiopeia A hat gezeigt, dass es innerhalb des ausgestoßenen Materials Bereiche gibt, die eisenreich sind. Eine Kollaboration zwischen US-amerikanischen und japanischen Forschern durchsuchte diese eisenreichen Regionen nach dem Vorhandensein von Chrom und Titan, die auch bei einem alpha-reichen Freeze-out entstehen.

Offensichtlich haben die Forscher sie gefunden, sonst hätte dieser Artikel nicht geschrieben werden müssen. Ebenso kritisch waren Chrom und Titan in Mengen vorhanden, die ihrer Bildung in einer protonenreichen, hochenergetischen Materialfahne entsprachen.

Ebenso bedeutsam deuten die Supernova-Modelle darauf hin, dass die Materialwolken, die durch die Neutrino-Erwärmung angetrieben werden, sich in der Nähe von 4,000 bis 5,000 Kilometern pro Sekunde bewegen sollten. Und das eisenreiche Material bewegt sich mit über 4,000 Kilometern pro Sekunde und ist damit in der richtigen Nachbarschaft.

All dies deutet darauf hin, dass unsere aktuellen Modelle explodierender Sterne auf dem richtigen Weg zu sein scheinen. Die Modellsterne explodieren nicht nur tatsächlich – sie tun dies auch auf eine Weise, die mit einem existierenden Supernova-Überrest vereinbar zu sein scheint. Offensichtlich wird dies etwas sein, das wir uns andere Supernova-Überreste ansehen wollen, um sie zu bestätigen. Aber zumindest vorerst können die Modellbauer die Erleichterung genießen, gute Gründe zu haben zu glauben, dass sie nicht arg vom Weg abgekommen sind.

Natur, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03391-9  (Über DOIs).