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Die Explosion eines Sterns in 3D

04.08.2010
München (Europäische Südsternwarte): Astronomen haben mit dem Very Large Telescope der ESO erstmals eine dreidimensionale Ansicht der Verteilung der Materie im innersten Bereich der Supernova 1987A, eines kürzlich explodierten Sterns, rekonstruiert.

Dabei ergibt sich das Bild einer gewaltigen, Explosion, bei der in bestimmte Richtungen besonders viel Material ausgeworfen wurde. Die Asymmetrie ist ein klarer Hinweis darauf, dass die Supernova sehr turbulent abgelaufen sein muss; eine Erkenntnis, die sich mit den Ergebnissen der neuesten Computersimulationen solcher Ereignisse deckt.

Im Gegensatz zur Sonne, die einen vergleichsweise unspektakulären Tod sterben wird, explodiert ein massereicher Stern am Ende seines kurzen Lebens in Form einer Supernova. Dabei werden große Mengen an Sternmaterie nach außen geschleudert. Unter den bislang beobachteten Supernovaexplosionen nimmt die im Jahr 1987 in der Großen Magellanschen Wolke, einer Nachbargalaxie der Milchstraße, beobachtete Supernova 1987A (abgekürzt SN 1987A) eine besondere Stellung ein: Sie war die seit 383 Jahren erste Supernova, die mit bloßem Auge zu sehen war (/public/news/eso8704). Aufgrund der für astronomische Verhältnisse geringen Entfernung war es den Astronomen möglich, Explosion eines massereichen Sterns und ihre Auswirkungen am Beispiel von SN 1987A so detailliert zu untersuchen wie nie zuvor. Kaum ein anderes Ereignis hat die moderne Astronomie so produktiv in Aufregung versetzt wie dieses.

SN 1987A hat sich für die Astrophysik als wahre Goldgrube erwiesen (/public/news/eso8711 und /public/news/eso0708) und erlaubte es den Wissenschaftlern, in vielerlei Hinsicht Neuland zu betreten: sie konnten erstmals Neutrinos aus dem in sich zusammenfallenden Zentralbereich des Sterns nachweisen, die die Explosion ausgelöst haben, sie fanden erstmals Anzeichen für eine asymmetrisch ablaufende Explosion, und erstmals gelangen direkte Nachweise von radioaktiven Elementen, die während der Explosion erzeugt wurden und der Bildung von Staub während der Supernova, sowie die Detektion von zirkumstellarer und interstellarer Materie. Außerdem war dies der erste Fall, in dem es gelang, den Vorgängerstern einer Supernova auf archivierten Photoplatten zu identifizieren – und damit zu sehen, wie er vor der Explosion aussah.

Mit Hilfe neuer Beobachtungen mit dem einzigartigen Instrument SINFONI [1] am Very Large Telescope (VLT) der ESO konnten unsere Kenntnisse von SN 1987A nun noch einmal vertieft werden: Mit den neuen Daten ist es erstmals möglich, die Struktur der zentralen Bereiche der Explosionsüberreste dreidimensional darzustellen.

Die neue Sichtweise zeigt insbesondere, dass die Explosion in einige Richtungen stärker und schneller erfolgte als in andere. Daraus ergab sich eine unregelmäßige Form, durch die sich einige Teilbereiche der Explosionswolke weiter in den Raum hinaus erstrecken.

Das Material, das bei der Explosion ausgestoßen wurde, bewegt sich mit unglaublichen 100 Millionen km/h nach außen, entsprechend rund einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit bzw. Dem 100.000fachen der Geschwindigkeit eines Passagierflugzeugs. Aber sogar mit dieser halsbrecherischen Geschwindigkeit benötigte das das Material zehn Jahre, um einen Ring aus Gas und Staub zu erreichen, den der sterbende Stern vor der Explosion ausgestoßen hatte. Die Bilder dokumentieren außerdem eine weitere Materiewelle, die sich mit einem Zehntel der genannten Geschwindigkeit ausbreitet. Sie wird von radioaktiven Elementen aufgeheizt, die bei der Explosion erzeugt wurden.

"Wir haben die Verteilung der Geschwindigkeiten in den innersten Materieausstößen der Supernova 1987A bestimmt”, erläutert Karina Kjær, die Leiterin des Wisseschaftlerteams. “Wie es genau zu einer Supernovaexplosion kommt, ist nach wie vor nicht besonders gut verstanden, aber die Art und Weise, wie der Stern explodiert ist, kann man aus den innersten Bereichen der Explosionswolke ablesen. Wir können sehen, dass die Materie dort nicht in alle Richtungen gleichmäßig ausgestoßen wurde. Stattdessen scheint es eine Vorzugsrichtung zu geben, die sich von derjenigen unterscheidet, die man anhand der Lage des Ringes erwarten würde.”

Dieses asymmetrische Verhalten wird von einigen aktuellen Computermodellen von Supernovaexplosionen vorhergesagt. Diese Modelle ergaben großräumige Instabilitäten während der Explosion. Die neuen Beobachtungen liefern daher die erste direkte Bestätigung dieser Modelle.

SINFONI ist das leistungsfähigste Instrument seiner Bauart. Diese Leistungsfähigkeit, insbesondere das räumliche Auflösungsvermögen des Instruments, war unbedingt nötig, um die jetzt veröffentlichten Ergebnisse zu ermöglichen. SINFONI enthält zum einen ein ausgeklügeltes System Adaptiver Optik, das der Unschärfe entgegenwirkt, die von der Erdatmosphäre verursacht wird. Zum anderen verwendet das Instrument die Technik der Integralfeldspektroskopie, um räumlich aufgelöste Spektren generieren zu können. So können die Astronomen verschiedene Bereiche des chaotischen Zentralbereichs der Supernova gleichzeitig untersuchen, Voraussetzung für die nun generierte 3D-Ansicht.

“Integralfeldspektroskopie ist eine spezielle Technik, dank derer wir aus jeden Pixel des Bildes Informationen über die Natur des Gases und die dort herrschenden Geschwindigkeiten gewonnen haben”, ergänzt Kjær. “Zusätzlich zu dem normalen Bild messen wir für jeden Punkt in dem Bild auch die Geschwindigkeit entlang der Sehlinie auf uns zu oder von uns weg. Da sich das Material ungehindert nach außen ausbreitet und wir wissen, wieviel Zeit seit der Explosion vergangen ist, können wir diese Geschwindigkeiten in Abstände zum Explosionszentrum umrechnen. Wir sehen das ausgestoßene Material also einmal von der Seite und einmal von vorn.”

Endnote
[1] Die Wissenschaftler nutzten das Instrument SINFONI (Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared) am Very Large Telescope (VLT) der ESO. SINFONI ist ein Spektrograf für den nahinfraroten Wellenlängenbereich von 1,1–2,45 µm und einem Modul für adaptive Optik, der auf die Untersuchung ausgedehnter Objekte spezialisiert ist. Mit SINFONI ist es möglich, anhand der Dopplerverschiebung der Spektrallinien die Geschwindigkeit der Materieauswürfe in unterschiedlichen Bereichen des Supernovaüberrests räumlich aufgelöst zu untersuchen. Rechnet man die Geschwindigkeiten auf den Explosionsort zurück, ergibt sich daraus die dreidimensionale Struktur der sich ausbreitenden Materiewolke.
Weitere Informationen
Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse erscheinen unter dem Titel “The 3-D Structure of SN 1987A’s inner Ejecta” in einem Artikel von K. Kjær et al.in der Fachzeitschrift Astronomy and Astrophysics.

Die beteiligten Wissenschaftler sind Karina Kjær (Queen’s University Belfast, Großbritannien), Bruno Leibundgut und Jason Spyromilio (ESO) sowie Claes Fransson und Anders Jerkstrand (Universität Stockholm, Schweden).

Mit dem Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared (kurz SINFONI, wörtlich etwa "Räumlich aufgelöst arbeitender Spektrograf für das nahe Infrarot") werden spektroskopische Untersuchungen ausgedehnter Objekte im Nahinfrarotbereich durchgeführt. SINFONI besteht aus einem von der ESO entwickelten Modul für Adaptive Optik zum Ausgleich atmosphärischer Verzerrungen und dem Spektrografen SPIFFI (SPectrometer for Infrared Faint Field Imaging). SPIFFI wurde von der NOVA-Kollaboration niederländischer Universitäten und dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching konzipiert und gebaut.

Die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 14 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts, sowie VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt. Die ESO ist der europäische Partner für den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das größte astronomische Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO das European Extremely Large Telescope (E-ELT) für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, mit 42 Metern Spiegeldurchmesser ein Großteleskop der Extraklasse.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsstaaten (und einigen weiteren Ländern) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

Kontaktinformationen

Carolin Liefke
ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie
Deutschland
Tel: 06221 528 226
Email: eson@mpia.de
Karina Kjær
Queen’s University Belfast, UK
Tel: + +44 28 9028 8662
Cell: +44 79 1608 0702
Email: karina.kjaer@gmail.com
Bruno Leibundgut
ESO
Tel: +49 89 3200 6295
Email: bleibund@eso.org
Richard Hook
ESO, La Silla, Paranal, E-ELT and Survey telescopes Press Officer
Garching, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Email: rhook@eso.org

Carolin Liefke | ESO Science Outreach Network
Weitere Informationen:
http://www.eso.org/public/germany/news/eso1032/
http://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1032/eso1032.pdf

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