Einzigartige Form der Sternexplosion bereits einen Tag nach der Entdeckung sichtbar gemacht

Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop Swift und dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO-VLT) haben den explosiven Tod eines Sterns genau in dem Moment gezeigt, als sich die Explosion ihren Weg durch die Sternoberfläche bahnte. Erstmals konnten Astronominnen und Astronomen die Form der Explosion in ihrem frühesten, flüchtigen Stadium sichtbar machen. Diese kurze Anfangsphase wäre schon einen Tag später nicht mehr beobachtbar gewesen und hilft, eine ganze Reihe von Fragen zu klären, wie massereiche Sterne zur Supernova werden. Als die Supernova SN 2024ggi in der Nacht des 10. April 2024 Ortszeit erstmals entdeckt wurde, war Yi Yang, Assistenzprofessor an der Tsinghua-Universität in Peking, China, und Hauptautor der neuen Studie, gerade nach einem Langstreckenflug in San Francisco gelandet. Er wusste, dass er schnell handeln musste.

Zwölf Stunden später hatte er einen Beobachtungsantrag an die ESO geschickt. Nach einem sehr schnellen Genehmigungsprozess richtete die ESO ihr VLT-Teleskop in Chile am 11. April auf die Supernova – nur 26 Stunden nach der ersten Entdeckung. SN 2024ggi befindet sich in der Galaxie NGC 3621 im Sternbild Wasserschlange (Hydra), „nur“ 22 Millionen Lichtjahre entfernt und damit in astronomischem Maßstab relativ nah. Mit einem großen Teleskop und dem passenden Instrument wusste das internationale Team, dass sich hier eine seltene Gelegenheit bot, die Form der Explosion kurz nach ihrem Beginn zu entschlüsseln. „Die ersten VLT-Beobachtungen erfassten die Phase, in der Materie, die durch die Explosion nahe dem Zentrum des Sterns beschleunigt wurde, durch die Sternoberfläche schoss. Für ein paar Stunden konnten die Geometrie des Sterns und seiner Explosion gleichzeitig beobachtet werden“, sagt Dietrich Baade, ESO-Astronom in Deutschland und Mitautor der heute in Science Advances veröffentlichten Studie. „Die Geometrie einer Supernovaexplosion liefert grundlegende Informationen über die Sternentwicklung und die physikalischen Prozesse, die zu diesen kosmischen Feuerwerken führen“, erklärt Yang.

Die genauen Mechanismen hinter Supernovaexplosionen massereicher Sterne – solcher mit mehr als der achtfachen Masse der Sonne – werden noch diskutiert und gehören zu den grundlegenden Fragen, die die Forschung klären möchte. Der Vorläuferstern dieser Supernova war ein Roter Überriese mit einer Masse von 12 bis 15 Sonnenmassen und einem Radius, der 500-mal größer als der der Sonne war. Damit ist SN 2024ggi ein klassisches Beispiel für die Explosion eines massereichen Sterns. Wir wissen, dass ein typischer Stern während seines Lebens seine kugelförmige Gestalt durch ein sehr präzises Gleichgewicht zwischen der nach innen gerichteten Gravitationskraft, die ihn zusammenziehen will, und dem Druck seines nuklearen „Motors“, der ihn ausdehnen möchte, beibehält. Geht dem Stern seine letzte Brennstoffquelle aus, beginnt dieser Motor zu stottern. Für massereiche Sterne markiert dies den Beginn einer Supernova: Der Kern des sterbenden Sterns kollabiert, die weiter außen liegenden Masseschalen stürzen auf ihn und werden zurückgeschleudert.

Diese Rückprall-Schockwelle breitet sich anschließend nach außen aus und zerstört den Stern. Sobald der Schock die Oberfläche durchbricht, setzt er ungeheure Energiemengen frei – die Supernova wird dann schlagartig sehr hell und sichtbar. Während einer kurzlebigen Phase kann die anfängliche „Ausbruch“-Form der Supernova untersucht werden, bevor die Explosion mit dem Material in der Umgebung des sterbenden Sterns wechselwirkt. Genau das ist Astronominnen und Astronomen nun zum ersten Mal mit dem VLT der ESO gelungen, und zwar mithilfe einer Technik, die „Spektropolarimetrie“ genannt wird. „Die Spektropolarimetrie liefert Informationen über die Geometrie der Explosion, die andere Beobachtungsmethoden nicht bieten können, weil die entsprechenden Winkelstrukturen am Himmel zu klein sind“, sagt Lifan Wang, Mitautor und Professor an der Texas A&M University in den USA, der zu Beginn seiner astronomischen Laufbahn Stipendiat bei der ESO war. Obwohl der explodierende Stern nur als einzelner Lichtpunkt erscheint, trägt die Polarisation seines Lichts verborgene Hinweise auf seine Geometrie, die das Team entschlüsseln konnte. [1] Die einzige Einrichtung auf der Südhalbkugel, die in der Lage ist, die Form einer Supernova mit dieser Messmethode zu erfassen, ist das Instrument FORS2, das am VLT installiert ist. Mit den FORS2-Daten fanden die Astronominnen und Astronomen heraus, dass der anfängliche Materieausstoß die Form einer Olive hatte.

Als sich die Explosion weiter ausbreitete und mit dem Material um den Stern kollidierte, flachte diese Form ab, doch die Symmetrieachse der ausgestoßenen Materie blieb dieselbe. „Diese Ergebnisse deuten auf einen gemeinsamen physikalischen Mechanismus hin, der die Explosion vieler massereicher Sterne antreibt, eine klar definierte axiale Symmetrie aufweist und auf großen Skalen wirkt“, so Yang. Mit diesem Wissen können Astronominnen und Astronomen bereits einige der derzeitigen Supernovamodelle ausschließen und andere mit neuen Informationen verbessern. So gewinnen sie zusätzliche Einblicke in die gewaltigen Tode massereicher Sterne. „Diese Entdeckung verändert nicht nur unser Verständnis stellaren Explodierens, sie zeigt auch, was möglich ist, wenn die Wissenschaft Grenzen überschreitet“, sagt Mitautor und ESO-Astronom Ferdinando Patat.

„Sie ist eine eindrucksvolle Erinnerung daran, dass Neugier, Zusammenarbeit und schnelles Handeln tiefgreifende Erkenntnisse über die Physik erschließen können, die unser Universum formt.“

Anmerkungen [1] Lichtteilchen (Photonen) besitzen eine Eigenschaft, die als Polarisation bezeichnet wird. In einer Kugel – der Form der meisten Sterne – heben sich die Polarisationen der einzelnen Photonen gegenseitig auf, sodass die Netto-Polarisation des Objekts gleich null ist. Wenn Astronominnen und Astronomen eine von null verschiedene Netto-Polarisation messen, können sie aus dieser Messung auf die Form des Objekts – eines Sterns oder einer Supernova – schließen, das das beobachtete Licht emittiert.

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Bilder: ESO