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Das James Webb Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA hat den bisher besten Beweis für die Emission eines Neutronensterns am Ort einer bekannten und kürzlich beobachteten Supernova erbracht. Die Supernova, bekannt als SN 1987A, ereignete sich 160.000 Lichtjahre von der Erde entfernt in der Großen Magellanschen Wolke.(Bildnachweis: NASA, ESA, CSA und C. Fransson (Universität Stockholm), M. Matsuura (Universität Cardiff), M. J. Barlow (University College London), P. J. Kavanagh (Universität Maynooth), J. Larsson (KTH Royal Institute of Technology))

Mit Hilfe des James Webb Weltraumteleskops (JWST) haben Astronomen ein fast ein Jahrzehnt andauerndes Versteckspiel beendet, nachdem sie einen Neutronenstern in den Trümmern einer Sternexplosion entdeckt hatten.

Supernova 1987A sind die Überreste eines explodierten Sterns, der einst die 8- bis 10-fache Masse der Sonne hatte. Sie befindet sich in etwa 170.000 Lichtjahren Entfernung in der Großen Magellanschen Wolke, einer Zwerggalaxie in der Nachbarschaft der Milchstraße. Die Supernova 1987A wurde erstmals vor 37 Jahren, im Jahr 1987, von Astronomen entdeckt, daher der numerische Aspekt in ihrem Namen. Als sie explodierte, überschüttete die Supernova 1987A die Erde zunächst mit geisterhaften Teilchen, den so genannten Neutrinos, und wurde dann in hellem Licht sichtbar. Damit war sie die nächstgelegene und hellste Supernova, die seit etwa 400 Jahren am Nachthimmel über der Erde zu sehen war.

Supernova-Explosionen wie diese sind dafür verantwortlich, den Kosmos mit Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und Eisen zu versorgen. Diese Elemente werden letztendlich zu den Bausteinen der nächsten Generation von Sternen und Planeten und können sogar Moleküle bilden, die eines Tages zu einem wesentlichen Bestandteil des Lebens, wie wir es kennen, werden könnten. Diese Explosionen bringen auch kompakte stellare Überreste in Form von Neutronensternen oder schwarzen Löchern hervor. 37 Jahre lang wussten die Astronomen nicht, welches dieser beiden Elemente im Herzen der Supernova 1987A lauern könnte.

„Wir haben lange nach Beweisen für einen Neutronenstern im Gas und Staub der Supernova 1987A gesucht“, sagt Mike Barlow, emeritierter Professor für Physik und Astronomie und Teil des Teams hinter dieser Entdeckung, gegenüber kosmischeweiten.de. „Endlich haben wir den Beweis, nach dem wir gesucht haben.“

Wie kann sich ein Neutronenstern 4 Jahrzehnte lang verstecken?

Neutronensterne entstehen, wenn massereiche Sterne ihren Brennstoffvorrat für die in ihrem Kern stattfindende Kernfusion erschöpfen. Dadurch wird die nach außen fließende Energie aus den Kernen dieser Sterne unterbrochen, die sie davor schützt, unter ihrer eigenen Schwerkraft zu kollabieren.

Wenn der Kern eines Sterns kollabiert, zerreißen gewaltige Supernova-Explosionen die äußeren Schichten des Sterns und sprengen sie weg. Zurück bleibt ein „toter“ Stern, der so groß ist wie eine durchschnittliche Stadt auf der Erde, aber eine Masse hat, die etwa ein- oder zweimal so groß ist wie die der Sonne. Der Stern besteht schließlich aus einer Flüssigkeit aus Neutronenteilchen, der dichtesten bekannten Materie im Universum.

Neutronensterne werden jedoch durch Quanteneffekte, die zwischen den Neutronen in ihrem Inneren auftreten, vor einem vollständigen Kollaps bewahrt. Diese Effekte verhindern, dass sich die Neutronen zusammenballen. Dieser so genannte „Neutronendegenerationsdruck“ kann überwunden werden, wenn der Kern eines Sterns genügend Masse hat – oder wenn ein Neutronenstern nach seiner Entstehung mehr Masse anhäuft. Dies würde zur Entstehung eines Schwarzen Lochs führen (wenn das Massenminimum nicht erreicht wird, wird dies jedoch nicht geschehen).

Wissenschaftler waren sich ziemlich sicher, dass es sich bei dem Objekt in der Supernova 1987A um einen Neutronenstern handelt, aber sie konnten nicht ausschließen, dass dieser frisch verstorbene Stern, zumindest so wie wir ihn vor etwa 170.000 Jahren sehen, noch nicht die Masse gesammelt hatte, um sich in ein schwarzes Loch zu verwandeln.

„Eine andere Möglichkeit war, dass die einfallende Materie auf dem Neutronenstern akkretiert wurde und ihn zu einem schwarzen Loch kollabieren ließ. Ein Schwarzes Loch war also ein mögliches alternatives Szenario“, so Barlow. „Das Spektrum, das die einfallende Materie erzeugt, ist jedoch nicht die richtige Art von Spektrum, um die Emission zu erklären, die wir sehen.“

Die Supernova 1987A aus der Sicht des Hubble-Weltraumteleskops und des James-Webb-Weltraumteleskops. (Bildnachweis: Hubble-Weltraumteleskop WFPC-3/James Webb-Weltraumteleskop NIRSpec/J. Larsson)

Sie werden wärmer…

Der neu entdeckte Neutronenstern konnte 37 Jahre lang nicht entdeckt werden, da er als Neugeborener noch von einer dicken Gas- und Staubschicht umgeben war, die bei der Supernova-Explosion, die den Todeskampf seines Vorgängersterns ankündigte, ausgestoßen wurde.

„Die Entdeckung wurde durch die Tatsache erschwert, dass die Supernova in den darauffolgenden Jahren nach der Explosion etwa eine halbe Sonnenmasse an Staub kondensierte“, so Barlow. „Dieser Staub wirkte wie ein Schirm, der die Strahlung aus dem Zentrum der Supernova 1987A verdeckte.“

Der Staub blockiert infrarotes Licht weit weniger effektiv als sichtbares Licht. Um durch dieses Leichentuch hindurch in das Herz der Supernova 1987A zu blicken, wandten sich Barlow und seine Kollegen an das hochempfindliche Infrarotauge des JWST, insbesondere an das Mid-Infrared Instrument und den Near-Infrared Spectrograph des Teleskops.

Der schlagende Beweis für diesen verborgenen Neutronenstern waren die Emissionen der Elemente Argon und Schwefel, die aus dem Zentrum der Supernova 1987A stammen. Diese Elemente sind ionisiert, d. h. ihnen wurden Elektronen aus ihren Atomen entzogen. Barlow sagte, dass diese Ionisierung nur durch die von einem Neutronenstern emittierte Strahlung verursacht worden sein kann.

Die Emissionen ermöglichten es dem Team, die Helligkeit oder Leuchtkraft des einst verborgenen Neutronensterns einzuschätzen. Sie ermittelten, dass er etwa ein Zehntel der Helligkeit der Sonne hatte.

Das Team hat zwar festgestellt, dass die Supernova 1987A einen Neutronenstern hervorgebracht hat, aber noch sind nicht alle Rätsel dieses Neutronensterns gelöst.

Das liegt daran, dass die Ionisierung von Argon und Schwefel, die ihnen als „smoking gun“ diente, auf zwei Arten durch einen Neutronenstern verursacht worden sein könnte. Winde geladener Teilchen, die von einem schnell rotierenden Neutronenstern mitgerissen und auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden, könnten mit dem umgebenden Supernova-Material in Wechselwirkung getreten sein und die Ionisierung verursacht haben. Oder ultraviolettes und Röntgenlicht, das von der Millionen Grad heißen Oberfläche des Neutronensterns ausgestrahlt wird, könnte Elektronen aus den Atomen im Herzen des Sternwracks herausgelöst haben.

Wenn das erste Szenario zutrifft, dann ist der Neutronenstern im Herzen der Supernova 1987A eigentlich ein Pulsar, der von einem Pulsarwindnebel umgeben ist. Pulsare sind so etwas wie sich drehende Neutronensterne. Wenn das letztgenannte Szenario das richtige Rezept für diese Emissionen ist, dann hat diese nahe Supernova einen „nackten“ Neutronenstern geboren, dessen Oberfläche direkt dem Weltraum ausgesetzt ist.

Barlow schlug vor, dass die Forscher in der Lage sein könnten, zwischen einem nackten Neutronenstern und einem, der von einem Pulsar-Wind-Nebel umhüllt ist, zu unterscheiden, indem sie weitere Infrarotbeobachtungen des Herzens der Supernova 1987A mit dem NIRSpec-Instrument des JWST machen.

„Wir haben ein Programm, das jetzt Daten sammelt, die eine drei- oder vierfache Auflösung im nahen Infrarot haben werden“, schloss er. „Mit diesen neuen Daten können wir vielleicht zwischen den beiden Modellen unterscheiden, die zur Erklärung der von einem Neutronenstern ausgehenden Emission vorgeschlagen wurden.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Donnerstag (22. Februar) in der Zeitschrift Science veröffentlicht.