Eine Illustration eines Nova-Ausbruchs in einer anderen Galaxie (Bildnachweis: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick, M. Zamani)
Astronomen haben erstmals eine wiederkehrende Nova außerhalb der Milchstraße im nahen Infrarotbereich untersucht. Dabei entdeckten sie extrem hohe Temperaturen und unerwartete chemische Signaturen – Hinweise auf eine besonders heftige Explosion.
Nova-Explosionen entstehen in halbgetrennten Doppelsternsystemen. Diese bestehen aus einem kühlen Spättyp-Stern und einem Weißen Zwerg.
„Ein heißer weißer Zwergstern, etwa so groß wie die Erde, aber mit einer Masse vergleichbar der Sonne, saugt Material von seinem kühlen Begleitstern ab“, erklärte Nye Evans von der Keele Universität. „Das Material des kühlen Sterns häuft sich auf der Oberfläche des Weißen Zwergs an und detoniert schließlich in einer thermonuklearen Kettenreaktion. Das ist eine Nova-Explosion.“
Die meisten Novae wurden nur einmal ausbrechend beobachtet, doch einige seltene Exemplare explodieren mehrfach. Diese sogenannten wiederkehrenden Novae zeigen Eruptionsintervalle zwischen einem Jahr und mehreren Jahrzehnten.
„Nachdem die Explosion abgeklungen ist, beginnt der Materietransfer erneut“, erklärte Evans. „Mit der Zeit kommt es dann zur nächsten thermonuklearen Explosion – und so weiter, in immer neuen Zyklen.“
In unserer Galaxie sind weniger als ein Dutzend wiederkehrender Novae bekannt. Deutlich mehr wurden jenseits der Milchstraße entdeckt, die meisten davon in der Andromedagalaxie (M31). Vier weitere befinden sich in der Großen Magellanschen Wolke (LMC).
Die Nova LMCN 1968-12A (LMC68) in der Großen Magellanschen Wolke wurde erstmals 1968 beobachtet. 1990 brach sie erneut aus – damit war sie die erste jemals dokumentierte wiederkehrende Nova außerhalb unserer Galaxie. Bemerkenswerterweise erfolgen ihre Ausbrüche im regelmäßigen Vier-Jahres-Rhythmus.
Evans erklärte: „Bei Systemen wie LMC68 wird bei der Nova-Explosion weniger Masse ausgestoßen als durch den Transfer vom kühlen Stern hinzugewonnen wird. Dadurch nimmt die Masse des Weißen Zwergs stetig zu. Mit der Zeit erreicht sie einen kritischen Wert – jenseits dessen der Weiße Zwerg sein eigenes Gewicht nicht mehr tragen kann. Die Folge wäre ein Kollaps, der unter anderem in einer Supernova-Explosion enden könnte.“
Eine Illustration eines Nova-Ausbruchs in einer anderen Galaxie (Bildnachweis: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick, M. Zamani)
Nach dem Ausbruch im Jahr 2020 beobachtete das Neil Gehrels Swift Observatory der NASA den Stern LMC68 monatelang genau. Die Forscher erwarteten den nächsten Ausbruch – der dann tatsächlich im August 2024 stattfand.
„LMCN 1968-12a ist etwa 50 Mal weiter entfernt als Nova-Explosionen in unserer eigenen Milchstraße und daher rund 2.500 Mal schwächer“, erklärte Evans. „Man benötigt die größten existierenden Teleskope, um sie zu beobachten – und das möglichst unmittelbar nach der Explosion. Dadurch werden zwangsläufig andere Beobachtungsprogramme unterbrochen.“ Er fügte hinzu: „Hier ist viel Kooperationsbereitschaft gefragt, denn große Infrarotteleskope sind rar.“
Die Nova LMCN 1968-12A (LMC68) in der Großen Magellanschen Wolke wurde erstmals 1968 beobachtet. Als sie 1990 erneut ausbrach, wurde sie damit zur ersten jemals beobachteten wiederkehrenden Nova außerhalb unserer Galaxie.
Erstmals gelang es dem Astronomenteam, das nahe Infrarotlicht von LMC68 einzufangen. Dadurch konnten sie dessen ultraheiße Phase untersuchen, in der viele Elemente stark angeregt werden. Diese Beobachtungen lieferten wertvolle Einblicke in die extremen Kräfte, die den Nova-Ausbruch antreiben.
Sie nutzten dafür die Spektroskopie – eine Methode zur Analyse der verschiedenen Lichtwellenlängen, die während des Ausbruchs absorbiert und emittiert wurden. Dadurch konnten sie die vorhandenen chemischen Elemente identifizieren und untersuchen, wie diese durch die extreme Hitze der Nova beeinflusst werden. Die intensive Strahlung ionisiert typischerweise die Atome oder regt sie an, wodurch deren Elektronen zunächst auf höhere Energieniveaus springen, bevor sie wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren.
Evans erklärte: „Emissionslinien entstehen, wenn ein Atom oder Ion von einem höheren Energieniveau in einen niedrigeren Zustand übergeht. Die freiwerdende Energie wird als Infrarotphoton abgestrahlt – ein charakteristisches Fingerabdruck des jeweiligen Atoms oder Ions. So können wir bestimmen, woraus Sterne bestehen.“
Eine Illustration eines Nova-Ausbruchs in einer anderen Galaxie (Bildnachweis: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick, M. Zamani)
Während andere Nahinfrarotstudien ähnlicher Novae in der Milchstraße normalerweise Signaturspuren verschiedener sogenannter „Metalle“ zeigen (ein Begriff, den Astronomen für alle Elemente außer Wasserstoff und Helium verwenden – was Chemiker sicherlich anders sehen würden), überraschte das Team eine besondere Entdeckung: Die Spektren von LMC 68 wiesen ein ungewöhnlich starkes Signal von neunfach ionisierten Siliziumatomen auf. Dieser Prozess erfordert enorme Energiemengen.
„Das ionisierte Silizium leuchtet fast hundertmal heller als die Sonne – das ist beispiellos“, erklärte Tom Geballe, emeritierter Astronom des NOIRLab und Mitautor der Studie. „Doch während dieses Signal verblüfft, ist ebenso erstaunlich, was fehlt.“
„Wir hatten eigentlich auch Anzeichen von hoch energetischem Schwefel, Phosphor, Kalzium und Aluminium erwartet.“
Eine Illustration eines Nova-Ausbruchs in einer anderen Galaxie (Bildnachweis: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick, M. Zamani)
Das Team vermutet, dass eine hohe Elektronenkonzentration in den äußeren Schichten der Nova möglicherweise dazu führte, dass angeregte Atome ihre Energie durch Kollisionen abgaben statt Licht auszusenden. Allerdings bleibt ungeklärt, warum in diesem Fall die sonst bei wiederkehrenden Novae typischen Spektrallinien völlig fehlen.
Das deutet darauf hin, dass bei LMC68 etwas Ungewöhnliches vor sich geht – etwas, das sich von typischen Novae unterscheidet.
LMC68 unterscheidet sich von galaktischen wiederkehrenden Novae, da sein Begleitstern vermutlich eine geringere Metallizität aufweist. Das bedeutet weniger schwere Elemente – typisch für die Große Magellansche Wolke. Sterne mit niedriger Metallizität können stärkere Nova-Explosionen verursachen, da mehr Material benötigt wird, um den Ausbruch auszulösen.
Eine Illustration eines Nova-Ausbruchs in einer anderen Galaxie (Bildnachweis: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick, M. Zamani)
Obwohl der Metallmangel des Begleitsterns die Zusammensetzung der Nova beeinflussen könnte, erklärt dies nicht vollständig das Fehlen von Metalllinien im nahen Infrarotbereich. Die Explosion verarbeitet das Material zwar durch den üblichen thermonuklearen Prozess, doch die erwarteten Metallsignaturen bleiben aus.
Die extrem hohe Koronatemperatur von 5,4 Millionen Grad Fahrenheit (3 Millionen Grad Celsius) in LMC68 könnte ein wichtiger Hinweis sein. Durch diese Hitze könnte es zu sogenannter Stoßionisation kommen – einem Prozess, bei dem die Atome des Gases stärker ionisiert werden als üblich. Dabei verlieren sie mehr Elektronen und erreichen höhere Energiezustände.
„Um einem Atom oder Ion so viele Elektronen zu entreißen, ist Energiezufuhr nötig“, erklärte Evans. „Bei der Stoßionisation liefern schnelle Elektronen diese Energie. Sie kollidieren mit dem Atom beziehungsweise Ion und übertragen dabei ihre Energie darauf.“
Das bedeutet, dass die Ionen, die normalerweise in der Koronaphase anderer Novae auftreten, in ihrer üblichen Form seltener vorkommen – sie wurden offenbar in höhere Energiezustände versetzt.
Die Tatsache, dass das Gas um LMC68 metallarm ist, bedeutet zugleich, dass es weniger Elemente wie Magnesium und Kalzium enthält als normale Sterne. Durch den thermonuklearen Ausbruch (die Nova-Explosion) wird dieser Mangel noch verstärkt – was letztlich zu einer geringeren Häufigkeit dieser Elemente in den Explosionsüberresten führt.
Diese Kombination aus hohen Temperaturen und Metallmangel könnte erklären, warum in aktuellen Beobachtungen keine Metalllinien nachweisbar waren.
Martin Still, Programmleiter der NSF für das Internationale Gemini Observatorium, erklärte: „Da in unserer eigenen Galaxie nur wenige wiederkehrende Novae entdeckt wurden, schreitet das Verständnis dieser Objekte nur schrittweise voran.“
„Durch die Erweiterung unserer Beobachtungen auf andere Galaxien mit den größten verfügbaren Teleskopen wie Gemini South werden Astronomen die Fortschritte beschleunigen und entscheidende Messungen des Verhaltens dieser Objekte in unterschiedlichen chemischen Umgebungen vornehmen können.“
Obwohl diese Theorie faszinierend erscheint, betont das Forschungsteam, dass zunächst Modellierungsstudien notwendig sind. Diese sollen die Reaktionsprodukte präziser erfassen. Zusätzlich sind weitere Beobachtungen mit längeren Lichtwellenlängen erforderlich, um die Hypothese zu bestätigen.
Die Forschungsarbeit des Teams wurde in den Monthly Notices der Royal Astronomical Society veröffentlicht.
