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Abb. 1:
Die Zerfallskette 56Ni -> 56Co -> 56Fe setzt große Energiemengen in Form von
Gammastrahlen-Photonen und Positronen frei (oben).
Vorhersage für das Spektrum der abgegebenen Gammastrahlung. Anfangs wird die
meiste Energie aus der Nickel-Zerfallskette im expandierenden Material, das bei
der Supernova ausgestoßen wurde, wiederaufbereitet, was zu einer starken
optischen Emission führt. Im Laufe der Zeit wird das ausgestoßene Material
durchsichtig genug, so dass ein Großteil der Gammastrahlen direkt entweichen
kann und charakteristische spektrale Merkmale aufweist (hier 75 Tage nach der
Explosion gezeigt) (unten).
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Abb. 2:
Spektrum der Typ II-Supernova SN1987A in der Großen Magellanschen Wolke, das vor
27 Jahren mit Röntgendetektoren auf der Weltraumstation MIR aufgenommen wurde.
(Sunyaev et al., 1987). Eine detaillierte Analyse des beobachteten Spektrums
zeigte, dass es sich ursprünglich um Gammalinien des radioaktiven Zerfalls von
Kobalt handelte, die in dem optisch dichten Mantel mehrfach gestreut wurden, und
schließlich in dem Bereich von 20-200 keV nachgewiesen werden konnten.
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Abb. 3:
Das von INTEGRAL beobachtete Spektrum der Typ Ia-Supernova SN2014J, 50 bis 100
Tage nach der Explosion (Churazov et al., 2014). Rote und blaue Punkte zeigen
Daten der beiden Instrumente SPI und ISGRI/IBIS. Die schwarze Kurve zeigt ein
Vergleichsmodell für ein Supernova-Spektrum am Tag 75 nach der Explosion.
Die obere Reihe zeigt Aufnahmen in den drei hochenergetischen spektralen Bändern
von INTEGRAL. In allen Bildern kann man deutlich eine Gammastrahlen-Quelle bei
der (optischen) Position von SN2014J erkennen.
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Abb. 4:
Gammalinien des Zerfalls von 56Co in dem expandierenden Material, verbreitert
durch den Dopplereffekt.
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Eine Typ-Ia-Supernova (SNIa) ist wahrscheinlich die thermonukleare Explosion
eines weißen Zwergsterns - des Überrests eines normalen Sterns wie unserer
Sonne, nachdem der Stern seinen Wasserstoffvorrat aufgebraucht hat. Ein
derartiger Weißer Zwerg besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff und Sauerstoff -
der Asche des Wasserstoff- und Heliumbrennens - und im Verlauf der
Supernova-Explosion werden riesige Mengen eines radioaktiven Isotops von Nickel
(56Ni) erzeugt. Die anschließende Zerfallskette von Nickel zu Kobalt und
schließlich zu Eisen (siehe Fig. 1) liefert große Mengen an Energie in Form von
hochenergetischen Gammastrahlen. Diese werden im expandierenden Material, das
durch die Explosion ausgestoßen wurde, wieder aufbereitet. So sendet eine
Supernova starke optische Emissionen aus, die als Entfernungsanzeiger in
kosmologischen Studien ein unschätzbar wertvolles Werkzeug darstellen.
Trotz einer langen Reihe von Beobachtungen und Simulationen bleiben die
detaillierte Physik einer SNIa-Explosion und der evolutionäre Weg, den das
kompakte Objekt auf seinem Web zur Explosion folgt, umstritten. Die Mehrzahl der
Modelle sagt voraus, dass das ausgeworfene Material in den ersten 10-20 Tagen
nach der Explosion für Gammalinien undurchsichtig ist. Später kann dann aber ein
Großteil der Gammastrahlen entkommen, da das ausgestoßene Material zunehmend
transparent wird.
Bisher konnte allerdings noch nie Gammastrahlung von einer SNIa direkt
beobachtet werden - vor allem weil die Objekte zu weit weg waren. Der
Nachweis von harter Röntgenstrahlung und Gammastrahlung von der Supernova SN
1987A in der Großen Magellanschen Wolke glückte zwar vor 27 Jahren; dies war
aber eine Kernkollaps-Supernova (ein Typ II), die nächstgelegene Supernova
in der jüngeren Geschichte. Obwohl Typ-Ia-Supernovae intrinsisch heller
sind, treten sie nur selten auf und der Nachweis von Gammastrahlen blieb bis
jetzt erfolglos.
"Im August 1987 hatten wir sehr viel Glück," erinnert sich MPA Direktor Rashid
Sunyaev, "als wir - zusammen mit der Gruppe von Prof. Joachim Trümper am
Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik - sehr ungewöhnliche, harte
Röntgenstrahlung (Abb. 2) von der Typ II Supernova SN1987A nachweisen konnten.
Für diese Beobachtung konnten wir die Röntgeninstrumente an Bord der
MIR-Weltraumstation nutzen. Und dieses Jahr hatten wir wieder Glück: drei
Millionen Sekunden Beobachtungszeit mit dem INTEGRAL-Weltraumobservatorium
erlaubten es uns eine Typ Ia-Supernova nachzuweisen, mit einer enorm großen
Leuchtkraft in zwei Gammalinien."
Am 15. Januar 2014, explodierte in der Spiralgalaxie M82 eine SNIa, die nur
wenige Tage später von S.J. Fossey und einem Team von Studenten des University
College London entdeckt wurde. In einer Entfernung von etwas mehr als 10
Millionen Lichtjahren, ist dies die nahegelegenste SNIa seit mindestens vier
Jahrzehnten. Die relative Nähe dieser Supernova, genannt SN2014J, löste viele
Folgebeobachtungen aus, unter anderem auch mit dem Gammastrahlen-Observatorium
INTEGRAL der ESA. Die Daten, die von INTEGRAL zwischen 50 und 100 Tage nach der
Explosion aufgenommen wurden, zeigen deutlich die beiden hellsten Gammalinien von
Kobalt bei 847 und 1238 keV (siehe Abb. 3). Außerdem stimmt auch der Fluss bei
niedrigeren Energien (200-400 keV) mit den theoretischen Vorhersagen überein.
"Die Linienflüsse deuten darauf hin, dass eine riesige Menge an radioaktivem
Nickel bei der Explosion synthetisiert wurde, mehr als die Hälfte der Masse
unserer Sonne", erklärt Eugene Churazov, der Hauptautor der Studie. "Beide
beobachteten Gammalinien werden durch den Dopplereffekt eindeutig verbreitert."
Dies deutet darauf hin, dass die Wolke aus radioaktivem Material sich mit einer
Geschwindigkeit von etwa 10000 km/s ausbreitet. Anfangs ist das Material noch so
dicht, dass die Gammastrahlen, die vom radioaktiven Zerfall von Nickel zu Kobalt
(mit einer typischen Zeitskala von 9 Tagen) stammen, einen Großteil ihrer
Energie aufgrund von Compton-Streuung und des Rückstoßeffektes verlieren. Der
anschließende Zerfall von Kobalt zu Eisen dauert viel länger, etwa 111 Tage.
Während dieser Zeit wird das ausgestoßene Material zunehmend transparenter, so
dass die Gammastrahlen schließlich entweichen können, und damit SNIa zu einer
langfristigen Quelle von Gammastrahlen machen.
Weitere Vergleiche mit mehreren gängigen theoretischen Modellen, die auf
detaillierten Berechnungen der Nukleosynthese-Prozesse bei der Explosion
beruhen, zeigen eine gute Übereinstimmung der SN2014J-Daten mit "kanonischen"
Modellen für SNIa-Explosionen, bei denen ein Weißer Zwerg die kritische
Chandrasekhar-Masse erreicht und detoniert. Modelle, bei denen die Masse
deutlich unterhalb der Chandrasekhar-Masse bleibt, sowie reine
Detonationsmodelle können durch diese Beobachtungen bereits ausgeschlossen
werden.
Die insgesamt gute Übereinstimmung mit den "kanonischen"-Modellen zeigt, dass
SN2014J im Gammastrahlenbereich wie ein proto-typische SNIa aussieht, auch wenn
die starke und komplexe Absorption im optischen Spektralbereich die Analyse
schwierig macht. "Die INTEGRAL-Daten liefern einen eindeutigen Beweis dafür,
dass SN2014J und damit Typ-Ia-Supernovae allgemein eine thermonukleare Explosion
sind", schließt Eugene Churazov. "Die Daten passen zu der Explosion eines Weißen
Zwergs, der gerade genug Masse besitzt um durch den Gravitationskollaps instabil
zu sein. Fusionsszenarien, die vergleichbare Mengen an Nickel produzieren,
können aber nicht ausgeschlossen werden."
E.Churazov, R.Sunyaev, J.Isern, J.Knödlseder, P.Jean, F.Lebrun, N.Chugai,
S.Grebenev, E.Bravo, S.Sazonov, M.Renaud
Kontakt:
Dr. Eugene Churazov
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Telefon: +49 98 30000-2219
E-Mail: echurazovmpa-garching.mpg.de
Original publications:
E.Churazov, R.Sunyaev, J.Isern, J.Knödlseder, P.Jean, F.Lebrun, N.Chugai,
S.Grebenev, E.Bravo, S.Sazonov, M.Renaud 56CO gamma-ray emission lines from the
type Ia supernova SN 2014J, Nature, Aug 28th, 2014
R. Sunyaev, A. Kaniovsky, V. Efremov, M. Gilfanov, E. Churazov, S. Grebenev, A.
Kuznetsov, A. Melioranskiy, N. Yamburenko, S. Yunin, D. Stepanov, I. Chulkov, N.
Pappe, M. Boyarskiy, E. Gavrilova, V. Loznikov, A. Prudkoglyad, V. Rodin, C.
Reppin, W. Pietsch, J. Engelhauser, J. Trümper, W. Voges, E. Kendziorra, M.
Bezler, R. Staubert, A. C. Brinkman, J. Heise, W. A. Mels, R. Jager, G. K.
Skinner, O. Al-Emam, T. G. Patterson & A. P. Willmore.Discovery of hard
X-ray emission from supernova 1987A, Nature 330, 227 - 229 (19 November 1987)
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