Eine Standardkerze im Vergrößerungsglas

  • 21. April 2017

Supernova des Typs Ia dank eines ungewöhnlichen Gravi­ta­tions­linsen­effekts über fünfzig­fach ver­stärkt.

Sie sind die gleichförmigsten kosmischen Explosionen: Super­novae vom Typ 1a ereignen sich nach dem gängigen Modell, wenn ein weißer Zwerg durch Akkre­tion von Materie eines Nach­bar­sterns in einem Doppel­system schließ­lich die Chandra­sekhar-Massen­grenze über­schreitet und in seinem Innern ein schnelles Kohlen­stoff­brennen ein­setzt. Die explosiv frei­wer­dende Energie zer­reißt den Stern voll­ständig, man spricht deshalb auch von einer thermo­nukle­aren Super­nova. Da die Chandra­sekhar-Grenze bei unge­fähr 1,4 Sonnen­massen liegt und nur leicht von der Element­kompo­si­tion des Sterns abhängt, liegt auch die Gesamt­energie von Typ-1A-Super­novae und damit ihre Hellig­keit ziem­lich genau fest. Dadurch eignen sie sich als Standard­kerzen der Kosmo­logie und dienen insbe­sondere zur Vermes­sung der beschleu­nigten Expan­sion des Welt­alls. Mit ihnen lässt sich auch der Ein­fluss der dunklen Energie bestimmen, die für die Beschleu­ni­gung der Expan­sion verant­wort­lich ist.

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Abb.: Aufnahme der Supernova iPTF16geu mit dem Keck-Tele­skop auf Hawaii. Rund um die Galaxie sind vier Bilder der Super­nova zu sehen. (Bild: Keck Obser­va­tory)

Einer internationalen Gruppe von Astronomen ist nun bei der Durch­muste­rung des Himmels mit der Inter­mediate Palomar Transient Factory iPTF ein unge­wöhn­licher Vertreter solcher Standard­kerzen in Netz gegangen. Das am 5. Septem­ber 2016 erst­mals beob­ach­tete und iPTF16geu getaufte Ereignis wies eine außer­gewöhn­liche Hellig­keit auf, die nicht zum Charakter einer Standard­kerze zu passen schien. Die Entfer­nung konnten die Wissen­schaftler anhand spektro­sko­pischer Daten ablesen. Die Vermes­sung von Natrium-Linien zeigte eine Rot­ver­schie­bung der Super­nova iPTF16geu von 0,409.

Die beobachtete Helligkeit lag rund dreißig Standard­abwei­chungen über der­jenigen, die für Standard­kerzen-Super­novae bei ver­gleich­barer Rot­ver­schie­bung zu erwarten gewesen wäre. Die Forscher erklären diese unge­wöhn­liche Hellig­keit mit einer enormen Verstär­kung der Super­nova durch den Gravi­tations­linsen­effekt an einer im Vorder­grund liegen­den Galaxie. Nach Korrek­tur der Licht­kurve auf­grund von Licht­absorp­tion an inter­stellarem Staub ermit­telten die Forscher einen Ver­stär­kungs­faktor von 52. Da sich dieser Faktor durch den Ver­gleich mit anderen Standard­kerzen-Super­novae sehr gut kali­brieren lässt, ist er vom kosmo­lo­gischen Modell unab­hängig. Die als Linse wirkende Galaxie liegt unge­fähr auf halber Strecke bei einer Rot­ver­schie­bung von 0,216.

Dieser überraschende Fund ermöglichte den Astronomen umfang­reiche Nach­folge­beob­ach­tungen, unter anderem mit dem Keck-Obser­va­torium auf Hawaii sowie mit dem Hubble-Welt­raum­tele­skop. Dadurch erhielten die Forscher hoch­auf­ge­löste Bilder, deren Analyse sogar eine unge­fähre Bestim­mung der Massen­ver­tei­lung in der Vorder­grund-Galaxie möglich macht. Rund um diese Galaxie fanden die Astro­nomen gleich vier Bilder der Super­nova, alle mit ähn­lichen Hellig­keiten und sehr gleich­mäßig ver­teilt.

Bei früheren, vergleichbaren Funden war die Gelegenheit verpasst worden, die Objekte mit leis­tungs­starken Tele­skopen näher unter die Lupe zu nehmen – teils auch, weil die Analyse zu lange gedauert hatte, bis klar war, mit welchem Phäno­men man es zu tun hatte. Die Galaxie im Vorder­grund hatte eine relativ geringe Masse von höchstens zehn Milli­arden Sonnen­massen und eine eben­falls sehr geringe Aus­deh­nung von nur rund 3000 Licht­jahren. Ver­glichen mit anderen Galaxien, von denen Gravi­tations­linsen­effekte bekannt sind, sind dies sehr niedrige Werte.

Der überraschend hohe Verstärkungsfaktor stellt die Forscher aber auch vor Fragen. „Es wäre rund tausend­fach wahr­schein­licher gewesen, eine Standard­kerzen-Super­nova mit nur fünf­facher Ver­stär­kung zu finden”, sagt Ariel Gobaar von der Unive­rsität Stock­holm, Erst­autor der Studie. Die Forscher geben eine Reihe mög­licher Erklä­rungen für diesen Befund an. So spricht eine gleich­mäßige Massen­ver­teilung in der Linsen-Galaxie eher gegen eine solch starke Ver­stär­kung. Vermut­lich sind Sub­struk­turen hier­für verant­wort­lich – eine genaue Analyse wird aber noch Zeit brauchen. Gleiches gilt für die Analyse des Zeit­ver­satzes zwischen den verschie­denen Bildern, in dem Infor­ma­tionen über die Expan­sion des Uni­ver­sums stecken könnten.

Mit Hilfe neuer Teleskopsysteme sollte es in Zukunft möglich werden, noch sehr viel mehr weit ent­fernte, durch Gravi­tations­linsen ver­stärkte Super­novae zu beob­achten. Die für die Ent­deckung genutzten Tele­skope der iPTF, mit denen die Forscher arbei­teten, sind mit Spiegel­durch­messern von etwas über einem Meter nicht allzu licht­stark und liegen zudem nur zwei Auto­stunden von der Metro­pol­region Los Angeles entfernt, was eigent­lich keine idealen Voraus­setzungen bedeutet. Das iPTF kann jede Nacht nur unge­fähr ein Fünf­zehntel des Nacht­himmels abscannen. Deshalb ist dort derzeit die Zwicky Transient Faci­lity im Aufbau, die noch diesen Sommer in Betrieb gehen soll. Sie soll den Himmel mindes­tens zehn­fach schneller abscannen als die iPTF. Noch licht­stärker wird das Large Synop­tic Survey Tele­scope sein, das im Jahr 2022 in Betrieb gehen soll und mit seinem 8,4-Meter-Spiegel alle drei Nächte den gesamten Himmel nach Ereig­nissen tief im All absuchen kann.

Dirk Eidemüller

RK

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