Illustration der Supernova SN 2018evt, die einen Sturm entfacht (Bildnachweis: Lizhi Wang, Nationale Astronomische Observatorien, Chinesische Akademie der Wissenschaften)
Astronomen haben eine bisher unbekannte Quelle des kosmischen Staubs entdeckt. Warum ist es wichtig, diesen Staub zu verfolgen? Nun, diese Partikel dienen im Grunde als Bausteine für Sterne.
Das internationale Team fand heraus, dass dieser Staub durch eine Art kosmischer Explosion entstehen kann, die stattfindet, wenn ein toter Weißer Zwergstern Material von einem stellaren Begleiter abstreift und dann mit Gas aus seiner unmittelbaren Umgebung interagiert. Diese Ereignisse werden als „Supernovae vom Typ 1a“ bezeichnet und von Astronomen oft als „Standardkerzen“ bezeichnet, da ihre gleichmäßige Lichtabgabe zur Messung kosmischer Entfernungen verwendet werden kann.
„Die Entstehung von kosmischem Staub ist von entscheidender Bedeutung für die Astronomie“, sagte Lifan Wang, Mitglied des Teams und Astronom an der Texas A&M University, in einer Erklärung. „Er ist mit buchstäblich allen Phänomenen des Kosmos verbunden. Das Verständnis des Prozesses, durch den er sich bildet, ist eines der Hauptziele vieler moderner astronomischer Missionen.“
Es ist nicht das erste Mal, dass Supernovas mit der Entstehung von kosmischem Staub in Verbindung gebracht werden, aber frühere Beobachtungen drehten sich um so genannte „Kernkollaps-Supernovas“, die entstehen, wenn einem massereichen Stern der Brennstoff ausgeht, den er für seine eigenen Kernfusionsprozesse benötigt. Dadurch wird der Kern des Sterns zum Kollaps gezwungen, wobei ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern entsteht, während die äußeren Schichten des Sterns in einer Supernova-Explosion weggesprengt werden.
Supernovae mit Kernkollaps treten jedoch nicht in elliptischen Galaxien auf, die eher riesigen Sternenschwärmen als organisierten Spiralen wie der Milchstraße ähneln. Die Astronomen haben sich daher schwer getan zu erklären, woher der Staub in elliptischen Galaxien stammt.
Wang und Kollegen haben nun eine Antwort gefunden: Dieser Staub könnte von „weißen Vampir-Zwergen“ stammen, die sich von einem kosmischen Begleiter ernähren, bevor sie in einer thermonuklearen Explosion explodieren.
„Alle Lebensformen im Universum sind kosmischer Staub, der in Prozessen im Zusammenhang mit der Sternentwicklung geschmiedet wurde“, so Wang. „Unsere Arbeit ist ein klarer Beweis für die Kondensation einer großen Menge von Staubpartikeln nach der Explosion eines Weißen Zwergsterns.“
Leben nach dem Tod für Weiße Zwerge
Weiße Zwerge sind dichte stellare Leichen, die entstehen, wenn kleineren Sternen der für die Kernfusion benötigte Brennstoff ausgeht und ihre Kerne kollabieren. Diesen zierlichen Sternenkörpern fehlt jedoch die Masse, die für einen vollständigen Kollaps erforderlich wäre, bei dem ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern entstehen würde. Stattdessen bilden sie Weiße Zwerge.
Unsere eigene Sonne wird diesen Prozess durchlaufen, wenn der Wasserstoffvorrat in ihrem Kern in etwa 5 Milliarden Jahren aufgebraucht ist. Doch während unsere Sonne einen einsamen Tod als abkühlender Weißer Zwerg sterben wird, existieren einige Weiße Zwerge in Doppelsternsystemen mit Begleitsternen, die sie nutzen können, um wieder zum Leben zu erwachen.
Wenn diese Sterne nahe genug beieinander stehen, kann der Weiße Zwerg Material aus den äußeren Schichten seines Begleitsterns „stehlen“. Diese gestohlene Materie bildet zunächst eine Scheibe um den Weißen Zwerg und bewegt sich von dort aus auf die Oberfläche des Sterns zu.
Diese akkretierte Materie türmt sich schließlich auf und erhöht die Masse des Weißen Zwerges über die so genannte Chandrasekhar-Grenze hinaus, die dem 1,4-fachen der Sonnenmasse entspricht und die Massengrenze darstellt, bei der ein Stern zur Supernova werden kann. Dies alles führt letztendlich zu einer thermonuklearen Explosion, die als Supernova vom Typ 1a bezeichnet wird.
Eine Illustration zeigt einen Weißen Zwerg, der Materie von einem Begleitstern stiehlt. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)
Um festzustellen, ob Supernovae vom Typ 1a für den kosmischen Staub verantwortlich sein könnten, beobachteten Wang und Kollegen über drei Jahre lang eine Supernova namens SN 2018evt mit einer Kombination aus weltraumgestützten Instrumenten, wie dem NASA-Weltraumteleskop Spitzer und der NEOWISE-Mission, und mehreren bodengestützten Observatorien.
Sie fanden heraus, dass die Supernova mit Material kollidierte, das von den Sternen des Doppelsternsystems abgestoßen worden war, und sahen, wie der Weiße Zwerg sich von seinem Begleiter ernährte, bevor dieser sein thermonukleares Schicksal erlitt. Diese Kollision, so beobachtete das Team, sendet Schockwellen durch das abgestoßene Gas, wobei sich im Gas selbst Staub bildet, wenn es sich nach dem Abklingen der Schockwellen abkühlt.
Die verräterische Signatur der Staubbildung in dieser Supernova war die Abschwächung im optischen Licht und die Aufhellung im Infrarotlicht. Daraus schätzte das Team, dass die Kollision für die Entstehung einer gewaltigen Menge an Staub verantwortlich war, die etwa 1 % der Masse der Sonne entspricht. Und wenn das Gas weiter abkühlt, wird die Staubproduktion nach Ansicht des Teams um das 10-fache ansteigen.
„Der Ursprung des kosmischen Staubs war lange Zeit ein Rätsel“, sagte Lingzhi Wang, Mitglied des Teams und Wissenschaftler am South America Center for Astronomy der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Chile. „Diese Forschung markiert den ersten Nachweis eines bedeutenden und schnellen Staubbildungsprozesses in der thermonuklearen Supernova, die mit zirkumstellarem Gas wechselwirkt.“
Aus dieser Forschung geht hervor, dass Supernovas vom Typ 1a bei der Gasproduktion nicht ganz so effizient sind wie ihre Pendants mit Kernkollaps. Dieser Mangel kann durch die Tatsache ausgeglichen werden, dass es genügend Supernovas vom Typ 1a gibt, die mit ihrer Umgebung interagieren, um eine bedeutende oder sogar dominante Quelle für Staub in elliptischen Galaxien zu sein.
„Diese Arbeit bietet Einblicke in den Beitrag thermonuklearer Supernovae zum kosmischen Staub, und es ist zu erwarten, dass in der Ära des James Webb Weltraumteleskops mehr solcher Ereignisse gefunden werden“, fügte Wang hinzu. „Das Webb-Teleskop sieht infrarotes Licht, das perfekt für den Nachweis von Staub geeignet ist.“
Die Entdeckungen des Teams zeigen, dass Weiße Zwerge auch eine wichtige Rolle im fortlaufenden Zyklus der Sternentstehung und -zerstörung sowie in den Prozessen spielen können, die Planeten und manchmal auch das Leben, wie wir es kennen, hervorbringen.
„Die Entstehung von Staub ist nichts anderes als Gas, das kalt genug wird, um zu kondensieren“, sagte der Wissenschaftler Andy Howell vom Las Cumbres Observatory. „Eines Tages wird dieser Staub zu Planetesimalen und schließlich zu Planeten kondensieren. Das ist die Schöpfung, die nach dem Sternentod von Neuem beginnt. Es ist spannend, ein weiteres Glied im Kreislauf von Leben und Tod im Universum zu verstehen.“
Die Forschungsarbeit wurde am Freitag (9. Februar) in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
