Gamma-Strahlen aus der Supernova-Katastrophe: Wie ein Magnetar eine Sternexplosion aufpumpte

Eine Supernova kann für kurze Zeit heller leuchten als eine ganze Galaxie. Doch manche dieser Sternexplosionen übertreffen selbst diesen Maßstab um das Zehnfache oder mehr. Woher diese sogenannten superleuchtkräftigen Supernovae ihre zusätzliche Energie beziehen, war lange ein Rätsel. Jetzt hat ein internationales Team mit Daten des Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA erstmals eindeutige Gammastrahlen von einer solchen Explosion aufgefangen - und damit einen direkten Blick auf den Motor geworfen, der sie antreibt.

Das Rätsel der superleuchtkräftigen Supernovae

Kernkollaps-Supernovae entstehen, wenn ein massereicher Stern am Ende seines Lebens den Brennstoff im Zentrum verbraucht, unter seinem eigenen Gewicht kollabiert und in einer gewaltigen Explosion seine äußeren Hüllen ins All schleudert. Zurück bleibt ein städtischer Neutronenstern oder ein noch kleineres Schwarzes Loch. In den letzten zwei Jahrzehnten haben Himmelsdurchmusterungen fast 400 Ausnahmen von diesem Schema identifiziert: Supernovae, die zehnmal oder noch mehr sichtbares Licht abstrahlen als üblich. Diese superleuchtkräftigen Supernovae (superluminous supernovae) stellen die Theorie vor ein Problem, denn die freiwerdende Energie übersteigt das, was der Kollaps allein liefern kann.

Unter Astrophysikern kursierten verschiedene Ideen für den zusätzlichen Energieschub. Ganz oben auf der Liste stand die Geburt eines Magnetars - eines Neutronensterns mit den stärksten bekannten Magnetfeldern, bis zu tausendmal intensiver als bei einem gewöhnlichen Neutronenstern und zehn Billionen Mal stärker als ein Kühlschrankmagnet. Ein solcher Magnetar rotiert nach seiner Entstehung einige hundert Mal pro Sekunde und treibt einen gewaltigen Strom aus Elektronen und Positronen an. Doch solange dieser Motor tief im expandierenden Trümmerschleier der Supernova verborgen ist, bleibt er für Teleskope unsichtbar - es sei denn, man beobachtet Gammastrahlen.

Fermis Gamma-Teleskop fängt ein seltenes Signal ein

Genau das ist nun gelungen. „Seit fast 20 Jahren haben Astronomen in den Fermi-Daten nach Gammastrahlensignalen von Tausenden Supernovae gesucht, und obwohl es einige interessante Hinweise gab, war keiner eindeutig - bis jetzt“, sagt Fabio Acero vom französischen Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) und der Universität Paris-Saclay, der die Studie leitete. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Im Zentrum der Untersuchung steht die Supernova SN 2017egm, die am 23. Mai 2017 vom europäischen Gaia-Satelliten in der Galaxie NGC 3191 entdeckt wurde, rund 440 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Großer Bär. Selbst in dieser Distanz zählt sie zu den nächsten Vertreterinnen ihrer Art. Das Large Area Telescope (LAT) an Bord von Fermi hatte die Himmelsregion zwischen dem 5. Juli und dem 25. Oktober 2017 beobachtet, also 43 bis 155 Tage nach der Entdeckung. In den Daten fand sich ein schwaches, aber statistisch signifikantes Gammastrahlensignal.

Guillem Martí-Devesa, der während der Arbeiten an der Universität Triest forschte und heute am Institute of Space Sciences in Barcelona tätig ist, fasst die Suche so zusammen: „Wir haben die sechs nächsten superleuchtkräftigen Supernovae aus den ersten 16 Jahren der Fermi-Mission nach Gammastrahlen durchforstet. Nur SN 2017egm zeigt Hinweise auf Gammastrahlung und bestätigt frühere Andeutungen, dass manche Supernovae im Gammalicht genauso leuchtkräftig sein können wie im sichtbaren Licht. Das öffnet ein neues Fenster, um diese faszinierenden Ereignisse zu untersuchen.“

Der Magnetar-Motor: Ein rotierender Sternenrest mit extremen Magnetfeldern

Um herauszufinden, welcher Mechanismus hinter der ungewöhnlichen Helligkeit steckt, verglich das Team die optischen und die Gamma-Eigenschaften von SN 2017egm mit verschiedenen theoretischen Modellen. Ein Szenario, das von Indrek Vurm (Universität Tartu, Estland) und Brian Metzger (Columbia University, New York) entwickelt wurde, beschreibt detailliert, wie Licht und Teilchen eines neugeborenen Magnetars nach außen wandern und mit der expandierenden Supernova-Trümmerwolke wechselwirken.

Demnach entsteht um den rasend schnell rotierenden Magnetar eine ausgedehnte Wolke aus Elektronen und Positronen - ein sogenannter Magnetar-Wind-Nebel. In diesem Gebilde laufen vielfältige Prozesse ab, die Gammastrahlen erzeugen und wieder absorbieren. Ein Elektron und ein Positron können sich zu einem Paar von Gamma-Photonen vernichten; umgekehrt können zwei Gammastrahlen kollidieren und wieder Teilchen erzeugen. Die energiereichste Strahlung kann die dichte Hülle aus Sternmaterie zunächst nicht direkt verlassen.

Wie Gammastrahlen zu sichtbarem Licht werden

Stattdessen werden die Gammaphotonen im Inneren der Explosionswolke vielfach gestreut und umgewandelt. Sie geben ihre Energie schrittweise ab und werden dabei in niederenergetischeres sichtbares Licht „heruntergeschaltet“. Dieser Prozess pumpt die Supernova zusätzlich auf und verleiht ihr die beobachtete extreme Leuchtkraft. Erst wenn sich die Trümmerwolke nach einigen Monaten ausreichend ausgedehnt und abgekühlt hat, können die Gammastrahlen allmählich nach außen entweichen.

„Ungefähr drei Monate nach dem Kollaps, wenn die Supernova-Trümmer expandieren und abkühlen, beginnen die Gammastrahlen durchzusickern“, erklärt Acero. „Dieses Magnetar-Modell reproduziert die Leuchtkraft der Supernova und die Ankunftszeit ihrer Gammastrahlung während der ersten Monate am besten, aber wir sehen noch Raum für Verbesserungen zu späteren Zeiten, wenn das sichtbare Licht ziemlich unregelmäßig abfällt.“ Die Forscher vermuten, dass in der langen Abklingphase zusätzliche Prozesse eine Rolle spielten, etwa Material, das auf den Magnetar zurückfällt, oder Wechselwirkungen der Druckwelle mit Materie, die der Stern bereits Jahrhunderte vor seinem Ende abgestoßen hatte.

Ein neues Fenster ins Innere der Explosionen

Die Entdeckung ist nicht nur eine Bestätigung für das Magnetar-Modell, sondern auch ein Versprechen für künftige Beobachtungen. Das Team hat abgeschätzt, wie gut das geplante bodengebundene Cerenkov Telescope Array Observatory (CTAO) ähnliche Ereignisse aufspüren könnte. Mit etwa 50 Stunden Beobachtungszeit ließe sich demnach eine Supernova wie SN 2017egm noch in einer Entfernung von rund 500 Millionen Lichtjahren nachweisen. Zusammen mit den weltraumgestützten Observatorien der NASA, die den Himmel auf rasche Veränderungen überwachen, könnte so ein regelrechtes Netzwerk entstehen, das die innersten Vorgänge von Sternexplosionen in nie dagewesener Detailtiefe vermisst.

Judy Racusin, stellvertretende Projektwissenschaftlerin der Fermi-Mission am Goddard Space Flight Center der NASA, ordnet den Fund in einen größeren Zusammenhang ein: „Der in dieser Arbeit diskutierte Magnetar-Antriebsmechanismus baut auf vielen beobachtenden und theoretischen Fortschritten der Magnetar-Forschung der letzten 20 Jahre auf. Die Beobachtung von Gammastrahlen aus Supernovae wird uns einen neuen Weg eröffnen, um ihr Innenleben zu erforschen.“

Damit schließt sich ein Kreis, der mit der Supernova von 1054 begann, deren Überrest wir heute als Krebsnebel kennen. In seinem Zentrum steckt ein isolierter Neutronenstern, der dreißigmal pro Sekunde rotiert und einen Leuchtturm-artigen Strahl aussendet - ein Pulsar. Auch er treibt einen Wind-Nebel an, der in Röntgen- und Infrarotaufnahmen sichtbar ist. Der neu entdeckte Gamma-Ausbruch aus einer fernen Galaxie zeigt, dass die magnetisch noch extremeren Vettern dieser Pulsare nicht nur als theoretische Idee existieren, sondern tatsächlich die gewaltigsten Explosionen des Universums befeuern können.

Quellen:

• NASA’s Fermi Glimpses Power Source of Supercharged Supernovae (NASA - Breaking News)
• Image: NASA’s Psyche mission spies Mars‘ wind-blown craters during close approach (Phys.org)
• We asked US researchers how the Trump administration’s science policies have affected them (Phys.org)
• NASA Announces Winners in University Aeronautics Competition (NASA - Breaking News)
• How to watch SpaceX launch its 1st Starship V3 megarocket on May 21 (Space.com)
• La NASA informará sobre su estrategia y misiones para la Base Lunar (NASA - Breaking News)

// weiterlesen100 Jahre bis zur Supernova: Was eine Zivilisation mit der Gewissheit des Endes machtWeltraumWas ein Sternenhimmel wert ist: Wenn Lichtverschmutzung zum wirtschaftlichen Verlust wirdKlimaKünstliche Nanohügel zwingen Supraleiter zu höherer Temperatur und MagnetfeldresistenzPhysik

Kinetyra