Asphärische Supernovaexplosionen sind Quellen kosmischer Gamma-Blitze

Massereiche Sterne können auch stark asphärisch explodieren. Das hat jetzt ein internationales Team unter Beteiligung von Astronomen vom Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) in Garching nachgewiesen. Durch genaue Beobachtung der Supernova „2003jd“ mit den weltweit größten Teleskopen gelang den Wissenschaftlern zudem die Entdeckung, dass auch asphärische Sternexplosionen Quellen von rätselhaften kosmischen Gammablitzen sein können (Science, 27. Mai 2005)

Sterne leuchten, weil in ihrem Inneren Kernreaktionen ablaufen, bei denen leichtere chemische Elemente zu schwereren verschmelzen und dabei Energie freisetzen. Wenn ein Stern mit mehr als der zehnfachen Masse der Sonne seinen nuklearen Brennstoff aufgebraucht hat, führt die Gravitationskraft dazu, dass der zentrale Eisenkern des Sterns kollabiert. Bei der folgenden Explosion wird der Großteil der Sternmaterie mit hoher Geschwindigkeit ausgeschleudert. Nukleares Brennen und die Aufheizung des Sterngases durch die nach außen laufende Stoßwelle erzeugen eine sehr helle Leuchterscheinung, die den explodierenden Stern für einige Tage so hell strahlen lässt wie eine ganze Galaxie – eine Supernova leuchtet auf.

Eine spezielle Art von Supernovae, Typ Ic, werden mit Gammablitzen in Verbindung gebracht – extrem helle, aber kurze Ausbrüche sehr intensiver Gamma- und Röntgenstrahlung. Sie dauern üblicherweise nur wenige Sekunden. Ihre Entstehungsorte und ihr Ursprung stellte für die Astronomen über Jahrzehnte ein Rätsel dar. Dank moderner Röntgen- und Gamma-Teleskope im Weltall wissen wir heute, dass diese Gammablitze aus weit entfernten Galaxien stammen. Wie lassen sich nun die großen Energiemengen, die von den Gammablitzen freigesetzt werden, erklären. Die Wissenschaftler glauben, dass die Explosionen, von denen solche Blitze stammen, stark asphärisch und in Form gerichteter Gasströme, sogenannter Jets ablaufen müssen. Im Gegensatz dazu wurden normale Supernovae bisher als weitgehend kugelförmige Explosionen betrachtet.

Die speziellen Supernovae, die mit Gammablitzen in Verbindung stehen, könnten allerdings auch selbst eine stark asphärische Form haben. Die Forscher des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA), des Italienischen Nationalen Instituts für Astrophysik (INAF), und der Universitäten in Tokio und des kalifornischen Berkeley haben theoretische Modelle von solchen stark deformierten Explosionen berechnet. Basierend auf diesen Modellen wurde im Jahr 2002 vorhergesagt, dass sich die Spektren der Supernovae unterscheiden sollten, je nachdem, unter welchem Blickwinkel die Explosionen erfasst werden. Insbesondere Beobachtungen, die mehrere Monate nach der Explosion gemacht werden, sollten stark von der Blickrichtung abhängen. Solche Beobachtungen der späten Entwicklung einer Supernova sind dazu geeignet, die gesamte abgestoßene Materie zu untersuchen, da das Gas durch die Ausbreitung zu dieser Zeit durchsichtig wird. Zum Beispiel sagten die Rechnungen voraus, dass die stärkste Linie im Strahlungsspektrum – eine Linie des neutralen Sauerstoffs – einen einzigen, schmalen Buckel haben sollte, wenn die Supernova aus der Richtung des Jets beobachtet wird. In diesem Fall würde man auch den Gammablitz sehen. Erfolgt die Beobachtung mit größerem Winkel zur Jetachse, so dass der Gammablitz selbst nicht sichtbar ist, dann erwartet man nach den Modellen eine Sauerstofflinie mit zwei Maxima. Weil der strahlend helle Gammablitz dann aber verborgen bleibt, können solche Explosionen in fernen Galaxien nicht leicht entdeckt werden. Mit einigen der weltweit größten Teleskope wurde daher ein besonderes Beobachtungsprogramm gestartet, um nach Typ Ic-Gammablitz-Supernovae zu suchen und durch Messung von der Strahlungsspektren die Vorhersagen zu überprüfen.

In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Science“ berichten die Forscher um Paolo Mazzali nun über die jüngsten Beobachtungen der Supernova „2003jd“ mit dem japanischen 8,2 Meter Subaru-Teleskop auf dem Mauna Kea auf Hawaii. Ungewöhnliche Doppelmaxima in den Spektrallinien des Lichts, welches das expandierende Supernovamaterial aussendet, weisen auf eine stark von der Kugelgestalt abweichende Explosion hin. Die Messungen mit dem Acht-Meter-Keck-Teleskop, das ebenfalls auf Hawaii steht und von einem Konsortium verschiedener US-amerikanischer Universitäten betrieben wird, haben die Annahme bestätigt.

Die Ergebnisse zeigen, dass Typ Ic-Supernovae auch stark asphärisch sein können. Die beobachtete Supernova „2003jd“ ist extrem hell und weist zusätzlich weitere charakteristische Ähnlichkeiten mit der Supernova „1998bw“ auf, von der ein Gammablitz beobachtet wurde. In Übereinstimmung mit dem theoretischen Modell hat die Sauerstofflinie bei der Supernova „1998bw“ aber nur ein einziges scharfes Maximum. Die Messungen an der Supernova „2003jd“ bestätigen damit die Vorstellung, dass kosmische Gammablitze beim Kollaps und der Explosion massereicher Sterne erzeugt werden. Im Fall der Supernova „2003jd“ ist der Gasjet und der dadurch erzeugte Gammablitz aber nicht auf die Erde gerichtet gewesen und für uns daher unsichtbar geblieben.