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(Main) Eine Illustration zeigt das Vera C. Rubin-Observatorium, das nach Supernovae des Typs Ia sucht (Inset) eine Illustration eines fütternden Weißen Zwerges, der die kritische Masse erreicht (Bildnachweis: (Main) RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA/P. Marenfeld (Inset) Robert Lea (erstellt mit Canva))

Das Vera C. Rubin-Observatorium wird bald seine Augen für den Kosmos öffnen, und Wissenschaftler sagen voraus, dass es Millionen von Vampirsternen entdecken wird, die explodieren, während sie sich von ihren stellaren Begleitern ernähren.

Das Rubin-Observatorium, das sich derzeit auf dem chilenischen Berg Cerro Pachón im Bau befindet, soll noch in diesem Jahr seine 10-jährige Vermessung von Raum und Zeit (LSST) aufnehmen.

Die in dieser Zeit anfallenden Daten von so genannten Supernovae des Typs Ia werden den Wissenschaftlern bei der Erforschung des Geheimnisses der dunklen Energie, der unbekannten Kraft, die die Beschleunigung der Expansion des Universums vorantreibt, von großem Nutzen sein.

Die Lichtausbeute explodierender Weißer Zwerge, d. h. der stellaren Leichen von Sternen mit einer Masse in der Größenordnung der Sonne, ist so gleichmäßig, dass Astronomen sie zur Entfernungsmessung nutzen können. Diese Gleichmäßigkeit bedeutet, dass Supernovae vom Typ Ia oft als „Standardkerzen“ bezeichnet werden und eine wichtige Sprosse auf der „kosmischen Entfernungsleiter“ darstellen.

Normalerweise ist es schwierig zu sagen, ob ein astronomischer Körper, wie ein Stern, hell ist, weil er viel Licht aussendet oder weil er sich näher an der Erde befindet. Die Tatsache, dass Supernovae vom Typ Ia eine einheitliche Lichtmenge aussenden, bedeutet jedoch, dass Astronomen ihre Helligkeit und Farben betrachten und diese mit Informationen über ihre Wirtsgalaxien kombinieren können, um ihre wahre Entfernung zu berechnen.

Dies wiederum kann Aufschluss darüber geben, wie stark sich das Universum ausgedehnt hat, da die Wissenschaftler Meilensteine für bestimmte Entfernungen im Universum festlegen können.

„Die große Datenmenge von Rubin wird uns eine Stichprobe aller Arten von Supernovae des Typs Ia in einer Reihe von Entfernungen und in vielen verschiedenen Arten von Galaxien liefern“, sagte Anais Möller, ein Teammitglied der Rubin/LSST Dark Energy Science Collaboration, in einer Erklärung.

Warum blasen Weiße Zwerge ihre Spitzen auf?

Weiße Zwerge entstehen, wenn Sterne mit sonnenähnlicher Masse ihren Brennstoffvorrat für Kernfusionsreaktionen in ihrem Kern erschöpfen und dadurch unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren.

Diese toten Sternkerne verlieren durch die Ablösung ihrer äußeren Schichten sehr viel Masse und enden unterhalb der so genannten Chandrasekhar-Grenze von etwa 1,4 Sonnenmassen. Das bedeutet, dass sie nicht zur Supernova werden können.

Die Sonne wird diesen Prozess in etwa 5 Milliarden Jahren durchlaufen und ihr Leben als einsame, abkühlende Sternenglut beenden.

Wenn der Vorgängerstern des Weißen Zwerges jedoch in einem Doppelsternsystem mit einem anderen Stern existiert, kann dieser stellare Leichnam damit beginnen, seinem Begleiter auf vampirische Weise Material zu entziehen. Bei Erreichen dieser kritischen Masse brechen Weiße Zwerge in Supernovae vom Typ Ia aus, die sie in der Regel auslöschen, obwohl diese Explosionen in seltenen Fällen einen zertrümmerten „Zombie-Stern“ als Überrest hinterlassen können.

Eine Illustration eines Weißen Zwergsterns, der stellares Material von einem Begleitstern abstreift und beginnt, „zur Nova zu werden“. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Astronomen haben Tausende dieser explosiven Ereignisse beobachtet. Das Problem ist jedoch, dass es nicht ausreicht, eine Supernova vom Typ Ia einmal oder sogar zweimal zu sehen, um sich ein Bild davon zu machen, wie sich ihr Licht im Laufe der Zeit verändert. Rubin wird zehn Jahre lang jede Nacht den Himmel über der südlichen Hemisphäre absuchen und dabei etwa alle paar Nächte die gesamte Hemisphäre abdecken, um nach Objekten mit wechselnder Helligkeit zu suchen. Dank dieser schnellen Entdeckung wird Rubin in der Lage sein, Supernovae des Typs Ia aufzuspüren und den Astronomen zu ermöglichen, sie zu untersuchen, bevor sie wieder verschwinden.

Rubin bringt Licht in die dunkle Energie

Supernovae vom Typ Ia sind seit 1998 ein fester Bestandteil des Konzepts der dunklen Energie, als zwei verschiedene Forscherteams diese Ausbrüche weißer Zwerge nutzten, um festzustellen, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt.

Seitdem haben Wissenschaftler festgestellt, dass die dunkle Energie das Universum dominiert und etwa 68 % des kosmischen Energie- und Materiehaushalts ausmacht. Dies war jedoch nicht immer der Fall. Was auch immer die dunkle Energie ist, sie scheint erst „in Gang gekommen“ zu sein, als das Universum zwischen 9 Milliarden und 10 Milliarden Jahre alt war. Davor wurde das Universum von der Materie beherrscht – und davor von der Energie des Urknalls.

Ein Diagramm, das die Geschichte und Entwicklung des Universums nach dem vorherrschenden Modell der kalten dunklen Materie zeigt. (Bildnachweis: NASA/ LAMBDA Archive / WMAP Science Team)

Das solideste Modell, das uns für die Entwicklung des Universums zur Verfügung steht, das Modell der kalten dunklen Materie (Lambda Cold Dark Matter, LCDM), geht davon aus, dass die dunkle Energie konstant ist. Jüngste Ergebnisse des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) deuten jedoch darauf hin, dass dies nicht der Fall ist und dass sich die Stärke der dunklen Energie ändert. Rubin und das LSST könnten zur Klärung dieser Frage beitragen, indem sie eine größere Stichprobe von Supernovae des Typs Ia über verschiedene Entfernungen hinweg zur Verfügung stellen, als die Wissenschaftler je zuvor zur Verfügung hatten: „Die Expansion des Universums ist wie ein Gummiband, das gedehnt wird. Wenn die dunkle Energie nicht konstant ist, wäre das so, als würde das Gummiband an verschiedenen Stellen unterschiedlich stark gedehnt“, so Möller weiter. „Ich denke, dass wir im nächsten Jahrzehnt in der Lage sein werden, zu bestimmen, ob die dunkle Energie konstant ist oder sich mit der kosmischen Zeit entwickelt.

„Rubin wird es uns ermöglichen, dies mit Supernovae vom Typ Ia zu tun.“

Astronomen müssen sich auf eine Datenflut einstellen, wenn Rubin den Himmel über dem südlichen Horizont zu scannen beginnt. Es wird geschätzt, dass Rubin jede Nacht bis zu 10 Millionen Warnungen mit 20 Terabyte Daten erzeugen wird.

Softwaresysteme werden diese Warnungen verarbeiten, bevor sie an Astronomen auf der ganzen Welt weitergeleitet werden. Zu den Supernovas in den Daten gehören auch andere vorübergehende Ereignisse wie veränderliche Sterne und Kilonovas, die heftigen Kollisionen zwischen extrem dichten Sternüberresten, den sogenannten Neutronensternen.

„Aufgrund der großen Datenmengen können wir die Wissenschaft nicht mehr auf die gleiche Weise betreiben wie bisher“, so Möller abschließend. „Rubin ist ein Generationswechsel. Und unsere Aufgabe ist es, die Methoden zu entwickeln, die von der nächsten Generation genutzt werden.“