Bildnachweis: ESO
Neue Daten, die vom Very Large Telescope (VLT) des European Southern Observatory gesammelt wurden, scheinen darauf hinzudeuten, dass Supernovae beim Explodieren möglicherweise nicht symmetrisch sind - ihre Helligkeit ändert sich je nachdem, wie Sie sie betrachten. Wenn sie je nach Betrachtung heller oder dunkler sind, kann dies zu Fehlern bei Ihren Entfernungsberechnungen führen. Die neuen Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass sie mit der Zeit symmetrischer werden, sodass Astronomen nur eine Weile warten müssen, bevor sie ihre Berechnungen durchführen können.
Ein internationales Team von Astronomen [2] hat mit dem ESO Very Large Telescope (VLT) am Paranal Observatory (Chile) neue und sehr detaillierte Beobachtungen einer Supernova in einer fernen Galaxie durchgeführt. Sie zeigen zum ersten Mal, dass eine bestimmte Art von Supernova, die durch die Explosion eines „weißen Zwergs“ verursacht wird, eines dichten Sterns mit einer Masse um die der Sonne, während der anfänglichen Expansionsphasen asymmetrisch ist.
Die Bedeutung dieser Beobachtung ist viel größer, als es auf den ersten Blick erscheinen mag. Diese besondere Art von Supernova, die als „Typ Ia“ bezeichnet wird, spielt eine sehr wichtige Rolle bei den aktuellen Versuchen, das Universum abzubilden. Es ist seit langem angenommen worden, dass Supernovae vom Typ Ia alle die gleiche Eigenhelligkeit haben, was ihnen den Spitznamen „Standardkerzen“ einbringt.
Wenn ja, spiegeln Unterschiede in der beobachteten Helligkeit zwischen einzelnen Supernovae dieses Typs einfach ihre unterschiedlichen Abstände wider. Dies und die Tatsache, dass die Spitzenhelligkeit dieser Supernovae mit der ihrer Muttergalaxie konkurriert, hat es ermöglicht, Entfernungen selbst sehr entfernter Galaxien zu messen. Einige offensichtliche Diskrepanzen, die kürzlich gefunden wurden, haben zur Entdeckung der kosmischen Beschleunigung geführt.
Diese erste eindeutige Beobachtung der Explosionsasymmetrie in einer Supernova vom Typ Ia bedeutet jedoch, dass die genaue Helligkeit eines solchen Objekts von dem Winkel abhängt, aus dem es gesehen wird. Da dieser Winkel für eine bestimmte Supernova unbekannt ist, führt dies offensichtlich zu einer gewissen Unsicherheit bei dieser Art von grundlegenden Entfernungsmessungen im Universum, die in Zukunft berücksichtigt werden müssen.
Glücklicherweise zeigen die VLT-Daten auch, dass wenn Sie ein wenig warten - was in Bezug auf die Beobachtung einen tieferen Blick in den expandierenden Feuerball ermöglicht -, dieser sphärischer wird. Entfernungsbestimmungen von Supernovae, die zu diesem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden, sind daher genauer.
Supernova-Explosionen und kosmische Entfernungen
Während Supernova-Ereignissen vom Typ Ia explodieren Überreste von Sternen mit einer Anfangsmasse von bis zu ein paar Mal der der Sonne (sogenannte „weiße Zwergsterne“) und hinterlassen nichts als eine sich schnell ausbreitende Wolke aus „Sternenstaub“.
Supernovae vom Typ Ia sind sich offenbar ziemlich ähnlich. Dies gibt ihnen eine sehr nützliche Rolle als „Standardkerzen“, mit denen kosmische Entfernungen gemessen werden können. Ihre maximale Helligkeit kann mit der ihrer Elterngalaxie mithalten und sie somit als wichtigste kosmische Maßstäbe qualifizieren.
Astronomen haben diesen glücklichen Umstand genutzt, um die Expansionsgeschichte unseres Universums zu studieren. Sie kamen kürzlich zu dem fundamentalen Schluss, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt, vgl. ESO PR 21/98, Dezember 1998 (siehe auch die Webseite der Supernova Acceleration Probe).
Die Explosion eines weißen Zwergsterns
In den am weitesten verbreiteten Modellen von Supernovae vom Typ Ia umkreist der weiße Zwergstern vor der Explosion einen solarähnlichen Begleitstern und vollendet alle paar Stunden eine Revolution. Aufgrund der engen Wechselwirkung verliert der Begleitstern kontinuierlich an Masse, von der ein Teil (in der astronomischen Terminologie: „akkretiert“) vom Weißen Zwerg aufgenommen wird.
Ein weißer Zwerg repräsentiert das vorletzte Stadium eines Sterns vom Solartyp. Der Kernreaktor in seinem Kern hat vor langer Zeit keinen Brennstoff mehr und ist jetzt inaktiv. Irgendwann hat jedoch das Montagegewicht des sich ansammelnden Materials den Druck im Inneren des Weißen Zwergs so stark erhöht, dass sich die dortige Kernasche entzündet und in noch schwerere Elemente zu brennen beginnt. Dieser Prozess wird sehr schnell unkontrolliert und der gesamte Stern wird in einem dramatischen Ereignis in Stücke gerissen. Man sieht einen extrem heißen Feuerball, der die Wirtsgalaxie oft überstrahlt.
Die Form der Explosion
Obwohl alle Supernovae vom Typ Ia ziemlich ähnliche Eigenschaften haben, war bisher nie klar, wie ähnlich ein solches Ereignis Beobachtern erscheinen würde, die es aus verschiedenen Richtungen betrachten. Alle Eier sehen aus dem gleichen Winkel ähnlich und nicht voneinander zu unterscheiden aus, aber die Seitenansicht (oval) unterscheidet sich offensichtlich von der Endansicht (rund).
Und tatsächlich, wenn Supernova-Explosionen vom Typ Ia asymmetrisch wären, würden sie mit unterschiedlicher Helligkeit in verschiedene Richtungen leuchten. Beobachtungen verschiedener Supernovae - unter verschiedenen Winkeln gesehen - konnten daher nicht direkt verglichen werden.
Ohne diese Winkel zu kennen, würden die Astronomen dann auf falsche Entfernungen schließen und die Genauigkeit dieser grundlegenden Methode zur Messung der Struktur des Universums wäre fraglich.
Polarimetrie zur Rettung
Eine einfache Berechnung zeigt, dass selbst für die Adleraugen des VLT-Interferometers (VLTI) alle Supernovae in kosmologischen Entfernungen als ungelöste Lichtpunkte erscheinen. Sie sind einfach zu weit. Es gibt aber noch eine andere Möglichkeit, den Blickwinkel einer bestimmten Supernova zu bestimmen: Polarimetrie ist der Name des Tricks!
Die Polarimetrie funktioniert wie folgt: Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen (oder Photonen), die in bestimmte Richtungen (Ebenen) schwingen. Reflexion oder Streuung von Licht begünstigt bestimmte Orientierungen der elektrischen und magnetischen Felder gegenüber anderen. Aus diesem Grund kann eine polarisierende Sonnenbrille das von einem Teich reflektierte Sonnenlicht herausfiltern.
Wenn Licht durch die sich ausdehnenden Trümmer einer Supernova streut, behält es Informationen über die Ausrichtung der Streuschichten bei. Wenn die Supernova sphärisch symmetrisch ist, sind alle Orientierungen gleich und werden gemittelt, sodass keine Nettopolarisation auftritt. Wenn die Gashülle jedoch nicht rund ist, wird dem Licht eine leichte Nettopolarisation eingeprägt.
„Selbst bei merklichen Asymmetrien ist die Polarisation jedoch sehr gering und überschreitet kaum das Niveau von einem Prozent“, sagt Dietrich Baade, ESO-Astronom und Mitglied des Teams, das die Beobachtungen durchgeführt hat. „Um sie zu messen, ist ein Instrument erforderlich, das sehr empfindlich und sehr stabil ist. ”
Die Messung von Unterschieden in schwachen und entfernten Lichtquellen auf einem Niveau von weniger als einem Prozent ist eine erhebliche Herausforderung für die Beobachtung. „Das ESO Very Large Telescope (VLT) bietet jedoch die Präzision, die Lichtsammelkraft sowie die speziellen Instrumente, die für eine solch anspruchsvolle polarimetrische Beobachtung erforderlich sind“, erklärt Dietrich Baade. „Dieses Projekt wäre jedoch ohne den Betrieb des VLT im Servicemodus nicht möglich gewesen. Es ist in der Tat unmöglich vorherzusagen, wann eine Supernova explodieren wird und wir müssen die ganze Zeit bereit sein. Nur der Servicemodus ermöglicht kurzfristige Beobachtungen. Vor einigen Jahren war es eine weitsichtige und mutige Entscheidung der ESO-Direktion, den Servicemodus so stark zu betonen. Und es war das Team kompetenter und engagierter ESO-Astronomen auf Paranal, das dieses Konzept zu einem praktischen Erfolg gemacht hat “, fügt er hinzu.
Die Astronomen [1] verwendeten das VLT-Multimode-FORS1-Instrument, um SN 2001el zu beobachten, eine Supernova vom Typ Ia, die im September 2001 in der Galaxie NGC 1448 entdeckt wurde, vgl. PR Photo 24a / 03 in einer Entfernung von 60 Millionen Lichtjahren.
Beobachtungen, die etwa eine Woche vor Erreichen der maximalen Helligkeit dieser Supernova um den 2. Oktober erhalten wurden, zeigten eine Polarisation bei Werten von 0,2 bis 0,3% (PR Photo 24b / 03). Nahe dem maximalen Licht und bis zu zwei Wochen danach war die Polarisation noch messbar. Sechs Wochen nach dem Maximum war die Polarisation unter die Nachweisbarkeit gefallen.
Dies ist das erste Mal, dass eine normale Supernova vom Typ Ia einen so eindeutigen Hinweis auf Asymmetrie aufweist.
Tiefer in die Supernova schauen
Unmittelbar nach der Supernova-Explosion bewegt sich der größte Teil der ausgestoßenen Materie mit Geschwindigkeiten um 10.000 km / s. Während dieser Expansion werden die äußersten Schichten zunehmend transparenter. Mit der Zeit kann man also immer tiefer in die Supernova schauen.
Die in SN 2001el gemessene Polarisation liefert daher Hinweise darauf, dass die äußersten Teile der Supernova (die zuerst gesehen werden) signifikant asymmetrisch sind. Später, wenn die VLT-Beobachtungen tiefer in das Herz der Supernova „eindringen“, wird die Explosionsgeometrie zunehmend symmetrischer.
Wenn die gemessene Polarisation in SN 2001el als abgeflachte Kugelform modelliert wird, impliziert sie ein Verhältnis von Neben- zu Hauptachse von etwa 0,9, bevor die maximale Helligkeit erreicht ist, und eine sphärisch symmetrische Geometrie ab etwa einer Woche nach diesem Maximum und danach.
Kosmologische Implikationen
Einer der Schlüsselparameter, auf denen Entfernungsschätzungen vom Typ Ia basieren, ist die maximale optische Helligkeit. Die zu diesem Zeitpunkt gemessene Asphärizität würde eine absolute Helligkeitsunsicherheit (Dispersion) von etwa 10% einführen, wenn keine Korrektur für den Betrachtungswinkel vorgenommen würde (was nicht bekannt ist).
Während Supernovae vom Typ Ia bei weitem die besten Standardkerzen zur Messung kosmologischer Entfernungen und damit zur Untersuchung der sogenannten dunklen Energie sind, bleibt eine geringe Messunsicherheit bestehen.
„Die Asymmetrie, die wir in SN 2001el gemessen haben, ist groß genug, um einen großen Teil dieser intrinsischen Unsicherheit zu erklären“, sagt Lifan Wang, der Leiter des Teams. „Wenn alle Supernovae vom Typ Ia so sind, würde dies einen großen Teil der Streuung bei Helligkeitsmessungen ausmachen. Sie sind vielleicht noch einheitlicher als wir dachten. “
Eine Verringerung der Streuung bei Helligkeitsmessungen könnte natürlich auch durch eine signifikante Erhöhung der Anzahl der beobachteten Supernovae erreicht werden. Da diese Messungen jedoch die größten und teuersten Teleskope der Welt erfordern, wie das VLT, ist dies nicht die effizienteste Methode.
Wenn stattdessen die ein oder zwei Wochen nach dem Maximum gemessene Helligkeit verwendet worden wäre, wäre die Sphärizität wiederhergestellt worden, und es würden keine systematischen Fehler aus dem unbekannten Betrachtungswinkel auftreten. Durch diese geringfügige Änderung des Beobachtungsverfahrens könnten Supernovae vom Typ Ia zu noch zuverlässigeren kosmischen Maßstäben werden.
Theoretische Implikationen
Die vorliegende Detektion polarisierter Spektralmerkmale legt den Schluss nahe, dass zum Verständnis der zugrunde liegenden Physik die theoretische Modellierung von Supernovae-Ereignissen vom Typ Ia in allen drei Dimensionen genauer durchgeführt werden muss als derzeit. Tatsächlich konnten die verfügbaren, hochkomplexen hydrodynamischen Berechnungen die von SN 2001el freigelegten Strukturen bisher nicht reproduzieren.
Mehr Informationen
Die in dieser Pressemitteilung vorgestellten Ergebnisse wurden in einem Forschungsbericht im "Astrophysical Journal" ("Spektropolarimetrie von SN 2001el in NGC 1448: Aspherizität einer normalen Supernova vom Typ Ia" von Lifan Wang und Co-Autoren, Band 591, S. 22, beschrieben 1110).
Anmerkungen
[1]: Dies ist ein koordiniertes ESO / Lawrence Berkeley National Laboratory / Univ. von Texas Pressemitteilung. Die LBNL-Pressemitteilung finden Sie hier.
[2]: Das Team besteht aus Lifan Wang, Dietrich Baade, Peter H? Flich, Alexei Khokhlov, J. Craig Wheeler, Daniel Kasen, Peter E. Nugent, Saul Perlmutter, Claes Fransson und Peter Lundqvist.
Originalquelle: ESO-Pressemitteilung
