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Abb:
Der Pfeil zeigt auf die Supernova 2002bo, die Explosion eines
weißen Zwergsterns in der Galaxie NGC 3190 im Sternbild Löwe - 60
Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.
Bild: Benetti et al., MNRAS 384, 261-278 (2004)
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Am Ende eines Sternenlebens, wenn der Stern schwer genug geworden ist,
steht eine gewaltige Explosion - die Supernova. Für einige Wochen
erscheint eine Supernova fast so hell wie eine ganze Galaxie mit
Milliarden von Sternen. Die hellsten dieser Supernovae bezeichnen
Astrophysiker als Typ Ia. Ihre gemessene scheinbare Helligkeit auf der
Erde ist ein Maß für ihren Abstand zu uns - doch dabei gibt es mehrere
Unsicherheitsfaktoren. "Die Frage ist immer noch: Wie gut sind
Supernovae eigentlich als Entfernungsmaß geeignet, da zum Beispiel die
Erkenntnis, dass das Universum beschleunigt expandiert, zu einem großen
Teil auf Beobachtungen von Supernovae beruht", erklärt Prof. Wolfgang
Hillebrandt. Denn die Supernovae vom Typ Ia sind in ihrer Leuchtkraft
untereinander sehr ähnlich, aber doch nicht gleich.
Den Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Astrophysik und dem
Nationalen Astronomischen Institut Italiens ist nun ein Durchbruch
gelungen. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Explosionsenergie der
Typ-Ia-Supernovae nahezu gleich ist - sie entspricht der
Fusionsenergie, die ein weißer Zwergstern von etwa dem anderthalbfachen
der Masse der Sonne erbrüten kann. Die Mengen an radioaktivem Nickel
und mittelschweren chemischen Elementen wie Silizium schwanken dagegen
von Supernova zu Supernova und erklären ihre Helligkeitsunterschiede.
Eine Supernova leuchtet nämlich umso heller, je mehr Nickel sie
enthält.
Bei der Explosion entstehen durch nukleare Fusion von
Kohlenstoff und Sauerstoff große Mengen radioaktiver Atomkerne, bei
einigen Supernovae vor allem das radioaktive Isotop 56 des Elements
Nickel. Die Energie aus seinem radioaktiven Zerfall wird in der
Supernova in Licht verwandelt. Die Fusion liefert also sowohl die
Energie für die Explosion als auch für das Licht. Die Kernfusion kann
allerdings auch bereits bei leichteren Atomkernen wie etwa Silizium
enden. Dabei entsteht zwar die gleiche Menge Energie, die Supernova
leuchtet aber nicht so hell. Diesen Fall erkennen die Forscher, wenn
sie im Lichtspektrum der Supernovae auch das Silizium sehen.
In ihrer Studie hatten die Wissenschaftler im Rahmen einer europäischen
Kooperation unter Führung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in
den letzten vier Jahren 20 Ia-Supernova-Explosionen jeweils über
mehrere Wochen untersucht. Anhand spektroskopischer und photometrischer
Daten sowie aufwändiger numerischer Simulationen kamen sie zu den
Ergebnissen, die es nun ermöglichen die bisherigen Eichmethoden zu
verfeinern. Astronomen kalibrieren Helligkeitsunterschiede bei den
Supernovae nämlich mit Hilfe ihrer Lichtkurven, also dem zeitlichen
Verlauf, den die Helligkeit bei neu entdeckten Supernovae nimmt. Die
Lichtkurven der helleren Supernovae fallen langsamer ab als die der
lichtschwächeren. Das schwächste Glied in dieser Eichmethode waren
bisher aber die beschränkten Kenntnisse über die Supernovaexplosionen
selbst: Woher kommen die Unterschiede in ihrer Helligkeit, und sind die
gemachten Korrekturen gerechtfertigt? Die Supernovae, die zur
Entfernungsmessung in der Kosmologie ein Rolle spielen, explodierten,
als unser Sonnensystem gerade entstand oder noch früher. Es gibt
deshalb keine Garantie, dass es die gleichen Explosionen sind wie die,
für die die Lichtkurven geeicht wurden.
Um mögliche systematische Unterschiede ausschließen zu können, müssen
Wissenschaftler deshalb die Explosionen sehr gut verstehen - dazu haben
die Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Astrophysik und dem
Nationalen Astronomischen Institut Italiens jetzt einen großen Beitrag
geliefert. "Unsere überraschenden Ergebnisse liefern nun erstmals eine
solide Grundlage dafür, dass wir Supernovae als kosmische
Entfernungsmesser nutzen können", sagt Wolfgang Hillebrandt. "Wir
verstehen jetzt die Unterschiede in der Helligkeit von Supernovae
besser und können deshalb in Zukunft dieses kosmische Metermaß genau
eichen." Davon profitieren auch Kosmologen, die aus der Helligkeit der
Supernovae auf dunkle Energie schließen können, die für die
beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich ist, wie die
Wissenschaftler glauben.
Wolfgang Hillebrandt
Originalveröffentlichung:
Paolo A. Mazzali, Friedrich K. Röpke, Stefano Benetti, Wolfgang Hillebrandt:
A Common Explosion Mechanism for Type Ia Supernovae,
Science, 9. Februar 2007
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