Fehlendes Bindeglied: Wie aus Supernovae Schwarze Löcher oder Neutronensterne entstehen

Astronomen haben eine direkte Verbindung zwischen dem explosiven Tod massereicher Sterne und der Entstehung der kompaktesten und rätselhaftesten Objekte im Universum – Schwarze Löcher und Neutronensterne – gefunden. Mit Hilfe des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) und des New Technology Telescope (NTT) der ESO konnten zwei Teams die Nachwirkungen einer Supernova-Explosion in einer nahe gelegenen Galaxie beobachten und Beweise für das mysteriöse kompakte Objekt finden, das die Explosion zurückgelassen hat.

Wenn massereiche Sterne das Ende ihres Lebens erreichen, kollabieren sie unter ihrer eigenen Schwerkraft so schnell, dass es zu einer gewaltigen Explosion kommt, die als Supernova bekannt ist. Astronomen gehen davon aus, dass nach all der Aufregung der Explosion nur der extrem dichte Kern oder kompakte Überrest des Sterns übrig bleibt. Je nachdem, wie massiv der Stern ist, ist der kompakte Überrest entweder ein Neutronenstern – ein Objekt, das so dicht ist, dass ein Teelöffel seines Materials hier auf der Erde etwa eine Billion Kilogramm wiegen würde – oder ein Schwarzes Loch – ein Objekt, aus dem nichts, nicht einmal Licht, entweichen kann.

Astronomen haben in der Vergangenheit schon viele Hinweise auf diese Kette von Ereignissen gefunden, wie etwa einen Neutronenstern im Krebsnebel, der Gaswolke, die bei der Explosion eines Sterns vor fast tausend Jahren zurückblieb. Aber sie hatten diesen Prozess noch nie in Echtzeit gesehen, was bedeutet, dass ein direkter Beweis für eine Supernova, die einen kompakten Überrest hinterlässt, schwer zu finden war.

"In unserer Arbeit stellen wir eine solche direkte Verbindung her", sagt Ping Chen, Forscher am Weizmann Institute of Science, Israel, und Hauptautor einer Studie, die heute in Nature veröffentlicht und auf der 243. Tagung der American Astronomical Society in New Orleans, USA, vorgestellt wurde.

Der Glücksfall für die Forscher fand im Mai 2022 statt, als der südafrikanische Amateurastronom Berto Monard die Supernova SN 2022jli im Spiralarm der 75 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie NGC 157 entdeckte. Zwei verschiedene Teams untersuchten die Folgen dieser Explosion und stellten fest, dass sie ein einzigartiges Verhalten aufweisen.

Video mit Erklärungen

Nach der Explosion nimmt die Helligkeit der meisten Supernovae mit der Zeit einfach ab; die Astronomen sehen eine sanfte, allmähliche Abnahme der "Lichtkurve" der Explosion. Das Verhalten von SN 2022jli ist jedoch sehr eigenartig: Während die Gesamthelligkeit abnimmt, geschieht dies nicht gleichmäßig, sondern schwankt etwa alle 12 Tage auf und ab.

"In den Daten von SN 2022jli sehen wir eine sich wiederholende Abfolge von Aufhellung und Abschwächung", sagt Thomas Moore, ein Doktorand an der Queen's University Belfast in Nordirland, der eine Studie über die Supernova leitete, die Ende letzten Jahres im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde. "Dies ist das erste Mal, dass wiederholte periodische Oszillationen über viele Zyklen hinweg in der Lichtkurve einer Supernova nachgewiesen wurden", schreibt Moore in seiner Arbeit. Sowohl das Moore- als auch das Chen-Team glauben, dass die Anwesenheit von mehr als einem Stern im SN 2022jli-System dieses Verhalten erklären könnte.

Tatsächlich ist es nicht ungewöhnlich, dass massereiche Sterne mit einem Begleitstern in einem so genannten Doppelsternsystem kreisen, und der Stern, der SN 2022jli verursachte, war keine Ausnahme. Das Bemerkenswerte an diesem System ist jedoch, dass der Begleitstern den gewaltsamen Tod seines Partners überlebt zu haben scheint und die beiden Objekte, der kompakte Überrest und der Begleiter, wahrscheinlich weiterhin umeinander kreisten.

Die vom Moore-Team gesammelten Daten, zu denen auch Beobachtungen mit dem NTT der ESO in der chilenischen Atacama-Wüste gehörten, erlaubten es nicht, genau zu bestimmen, wie die Wechselwirkung zwischen den beiden Objekten die Hochs und Tiefs in der Lichtkurve verursacht.

Aber das Chen-Team hatte zusätzliche Beobachtungen gemacht. Sie fanden dieselben regelmäßigen Schwankungen in der sichtbaren Helligkeit des Systems, die das Moore-Team entdeckt hatte, und sie entdeckten auch periodische Bewegungen von Wasserstoffgas und Ausbrüche von Gammastrahlen im System. Ihre Beobachtungen wurden durch eine Flotte von Instrumenten am Boden und im Weltraum ermöglicht, darunter der X-Shooter am VLT der ESO, der sich ebenfalls in Chile befindet.

Die beiden Teams sind sich einig, dass sich die wasserstoffreiche Atmosphäre des Begleitsterns aufblähte, als er mit dem Material interagierte, das bei der Supernovaexplosion ausgeworfen wurde.

Obwohl die Teams kein Licht von dem kompakten Objekt selbst beobachten konnten, kamen sie zu dem Schluss, dass dieses energetische Stehlen nur von einem unsichtbaren Neutronenstern oder möglicherweise einem Schwarzen Loch herrühren kann, das Materie aus der aufgeblähten Atmosphäre des Begleitsterns anzieht.

"Unsere Forschung ist wie das Lösen eines Puzzles, indem wir alle möglichen Beweise zusammentragen", sagt Chen. "All diese Teile, die sich aneinanderreihen, führen zur Wahrheit."

Auch wenn das Vorhandensein eines Schwarzen Lochs oder eines Neutronensterns bestätigt ist, gibt es noch viel über dieses rätselhafte System zu enträtseln, einschließlich der genauen Natur des kompakten Objekts oder welches Ende dieses Doppelsternsystem erwarten könnte. Teleskope der nächsten Generation wie das Extremely Large Telescope der ESO, das noch in diesem Jahrzehnt in Betrieb genommen werden soll, werden dabei helfen und es den Astronomen ermöglichen, noch nie dagewesene Details dieses einzigartigen Systems zu entdecken.

Das Team unter der Leitung von P. Chen veröffentlichte einen Artikel mit dem Titel "A 12.4 day periodicity in a close binary system after a supernova" in Nature (doi: 10.1038/s41586-023-06787-x).