Krebsnebel Neu entdeckter Supernova-Typ erklärt Himmelsspektakel vor 1.000 Jahren

Eine 40 Jahre alte Theorie wurde jetzt bestätigt: Es gibt sogenannte Elektroneneinfang-Supernovae. Die Supernova im Jahr 1054, aus der der Krebsnebel entstand, war auch so eine.

Es gehört zu den schönsten Erlebnissen und Errungenschaften in der Wissenschaft, wenn sich von klugen Köpfen entwickelte Theorien endlich durch Beobachtungen in der Praxis belegen lassen. Die Entdeckung der Gravitationswellen war ein Paradebeispiel dafür.

Ähnliches ist jetzt wieder passiert. Die erstmals 1980 aufgestellte Theorie, dass es sogenannte Elektroneneinfang-Supernovae geben muss, ist keine unbewiesene Theorie mehr. Ein weltweites Team unter Leitung der University of California Santa Barbara hat die Existenz dieses nur schwer fassbaren Supernova-Typs bestätigt.

Supernova-Arten

Eine Supernova ist das explosive Ende eines massereichen Sterns. Kurzzeitig nimmt dessen Leuchtkraft bei der Explosion millionen- bis milliardenfach zu.

Supernova Stern Explosion
Bildrechte: imago images / Science Photo Library

Dabei gab es bislang zwei Haupttypen:
1.) Die thermonukleare Supernova, die entsteht, wenn ein Weißer Zwerg (bis zu acht Sonnenmassen) in einem Doppelsternsystem Materie hinzugewonnen hat.
2.) Die Kernkollaps-Supernova, die auftritt, wenn einem sehr massereichen Stern (mehr als zehn Sonnenmassen) der Brennstoff ausgeht und dadurch sein Eisenkern kollabiert, wobei ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern entsteht.

Die Elektroneneinfang-Supernova liegt gewissermaßen dazwischen. Denn sie geschieht bei Sternen, die schwerer als Weiße Zwerge, aber leichter als die Kernkollaps-Supernova-Sterne sind.

Elektroneneinfang-Supernova

Während die Schwerkraft immer versucht, einen Stern zu zerquetschen, ist das, was die meisten Sterne vor dem Kollaps bewahrt, entweder die laufende Fusion oder (in Kernen, in denen die Fusion aufgehört hat) die Tatsache, dass man die Atome nicht noch enger packen kann.

In einer Elektroneneinfang-Supernova werden einige der Elektronen im Sauerstoff-Neon-Magnesium-Kern in einem Prozess, der Elektroneneinfang genannt wird, in ihre Atomkerne hineingeschlagen. Das führt dazu, dass der Kern des Sterns unter seinem eigenen Gewicht einknickt und kollabiert. Die Elektroneneinfang-Supernova beginnt. Wäre der Stern etwas schwerer gewesen, hätten die Kernelemente zu schwereren Elementen fusionieren können, was sein Leben verlängert hätte.

Der Stern ist also weder leicht genug, um dem Kollaps seines Kerns zu entgehen, noch ist er schwer genug, um sein Leben zu verlängern und später auf anderem Wege zu sterben.

So weit die Theorie, die ab 1980 von Ken'ichi Nomoto von der Universität Tokio und anderen aufgestellt wurde. Im Laufe der Jahrzehnte wurden weitere theoretische Vorhersagen formuliert, nach welchen Eigenschaften man bei einer Elektroneneinfang-Supernova und ihrem Vorgänger-Stern suchen sollte. Die Sterne sollten viel Masse haben (etwa sieben bis neuneinhalb Sonnenmassen), viel davon verlieren, bevor sie explodieren, und diese Masse in der Nähe des sterbenden Sterns sollte von einer ungewöhnlichen chemischen Zusammensetzung sein. Dann sollte die Supernova, also die Explosion schwach sein, wenig radioaktiven Fallout haben und neutronenreiche Elemente im Kern aufweisen.

Weltraumteleskop Hubble

Um diese Theorie belegen zu können, müsste man also Supernovae finden, von deren Vorgänger-Sternen es ebenfalls auswertbare Bilder gibt. Hier halfen ältere Aufnahmen, die das Weltraumteleskop Hubble gemacht hatte.

Die Autoren sahen alle veröffentlichten Daten durch und fanden heraus, dass einige Supernovae der jüngeren Vergangenheit zwar einzelne der Indikatoren aufwiesen, die für Elektroneneinfang-Supernovae vorhergesagt werden, aber nur eine Supernova alle sechs Anforderungen erfüllte.

Bildkomposition des Las Cumbres Observatoriums und des Weltraumteleskops Hubble von der Elektroneneinfang-Supernova 2018zd (der große weiße Punkt rechts) neben der Galaxie NGC 2146
Bildrechte: NASA/STSCI/J. Depasquale; Las Cumbres Observatory

Es war die Supernova "SN 2018zd", die vor etwa drei Jahren in der Galaxie NGC 2146 (im Sternbild Giraffe) zu beobachten war.

Wir begannen mit der Frage: Was ist das für ein komisches Ding? Dann untersuchten wir jeden Aspekt von SN 2018zd und erkannten, dass alle diese Aspekte im Elektroneneinfang-Szenario erklärt werden können.

Daichi Hiramatsu, Leiter der Studie

Krebsnebel-Supernova

Die neuen Entdeckungen lüften auch einige Geheimnisse der wohl berühmtesten Supernova der Geschichte. Im Jahr 1054 ereignete sich in der Milchstraße eine Supernova, die nach chinesischen und japanischen Aufzeichnungen so hell war, dass sie tagsüber 23 Tage lang und nachts fast zwei Jahre lang zu sehen war.

Zeichnung des Krebsnebels aus dem Jahr 1844 von Lord Rosse, der den Nebel mit seinem Spiegelteleskop detailliert beobachtete und ihm seinen Namen gab.
Bildrechte: Lord Rosse, 1844

Aus ihr ist der Krebsnebel entstanden, der seinen Namen nicht etwa hat, weil er im Sternbild Krebs steht. Zu sehen ist der Nebel (allerdings nur durchs Teleskop) im Sternbild Stier. Seine Form erinnerte aber einen seiner ersten Beobachter, Lord Rosse, im 19. Jahrhundert an einen Krebs.

Dieser Krebsnebel ist sehr detailliert untersucht worden. In der Theorie war er bisher der beste Kandidat für eine Elektroneneinfang-Supernova, aber dieser Status war unsicher, auch weil die Explosionsbeobachtung fast tausend Jahre zurückliegt.

Das neue Studienergebnis erhöht die Wahrscheinlichkeit enorm, dass die historische "SN 1054" eine Elektroneneinfang-Supernova war. Es erklärt auch, warum diese Supernova im Vergleich zu den theoretischen Modellen relativ hell war: Ihre Leuchtkraft wurde wahrscheinlich künstlich verstärkt, indem die Supernova-Auswürfe mit Material kollidierten, das der Vorgänger-Stern abgeworfen hatte. Genauso, wie es jetzt bei "SN 2018zd" der Fall war.

Der Krebsnebel, das Ergebnis einer Supernova aus dem Jahr 1054, hat eine Ausdehnung von etwa zehn Lichtjahren. Im Zentrum des Nebels befindet sich ein Pulsar: ein Neutronenstern, so schwer wie die Sonne, aber nur so groß wie eine Kleinstadt. Der Krebs-Pulsar rotiert etwa 30 Mal pro Sekunde.
Bildrechte: NASA, ESA, J. Hester, A. Loll (ASU); Davide De Martin (Skyfactory)

Ken'ichi Nomoto von der Universität Tokio sieht seine mittlerweile recht alte Theorie nun als bestätigt an.

Ich bin sehr erfreut, dass die Elektroneneinfang-Supernova endlich entdeckt wurde, deren Existenz meine Kollegen und ich schon vor 40 Jahren vorausgesagt haben und die eine Verbindung zum Krebsnebel hat. Dies ist ein wunderbarer Fall der Kombination von Beobachtungen und Theorie.

Ken'ichi Nomoto, Universität Tokio

rr

Link zur Studie

Die Studie "The electron-capture origin of supernova 2018zd" ist im Fachmagazin "nature astronomy" erschienen.

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