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Astronomen haben 3.600 Supernovae untersucht, um die Vielfalt explodierender weißer Zwergsterne zu entdecken, ein wichtiges Werkzeug bei der Erforschung der dunklen Energie.

Explodierende Weiße Zwerge, beobachtet vom Palomar 48-Zoll-Teleskop am Palomar-Observatorium in Kalifornien (Bildnachweis: Mickael Rigault und das Palomar-Observatorium/Caltech.)

Es gibt viele Möglichkeiten für tote Sterne, sich in Luft aufzulösen. Astronomen entdeckten diese explosive Vielfalt, als sie während einer Himmelsdurchmusterung der nächsten Generation, die mit der Zwicky Transient Facility (ZTF) zwischen März 2018 und Dezember 2020 durchgeführt wurde, 3.628 explodierende Weiße Zwerge untersuchten.

Das bedeutet, dass dieser Datensatz von nahen Supernovae um ein Vielfaches größer ist als frühere ähnliche Stichproben. Dies ist ein entscheidender Fortschritt für unser Verständnis der Lebenszyklen von Sternen mit sonnenähnlichen Massen, die beim Sterben Weiße Zwerge erzeugen. Ein besseres Verständnis von Supernovae des Typs Ia könnte dazu beitragen, das Rätsel der dunklen Energie zu lösen – der seltsamen Kraft, die das Universum zu einer immer schnelleren Expansion veranlasst. Denn seit drei Jahrzehnten sind diese explodierenden Sternüberreste ein wesentlicher Bestandteil bei der Messung kosmischer Entfernungen. Das Wissen über ihre Vielfalt könnte den Astronomen helfen, diese Supernovae miteinander zu vergleichen und unser Verständnis der dunklen Energie zu verfeinern.

„Die Vielfalt der Arten, wie weiße Zwergsterne explodieren können, ist viel größer als bisher erwartet. Das Ergebnis sind Explosionen, die von so schwach sind, dass sie kaum sichtbar sind, bis hin zu anderen, die hell genug sind, um noch viele Monate bis Jahre danach gesehen zu werden“, sagte die Leiterin des Teams Kate Maguire vom Trinity College Dublin in einer Erklärung.

„Dank der einzigartigen Fähigkeit von ZTF, den Himmel schnell und tief abzutasten, war es möglich, neue Sternexplosionen zu entdecken, die bis zu einer Million Mal schwächer sind als die schwächsten mit bloßem Auge sichtbaren Sterne.“

Wie Weiße Zwerge explodieren!

Weiße Zwerge entstehen, wenn Sterne von der Masse der Sonne den Wasserstoff in ihren Kernen verbrauchen. Mit dem Ende der Fusion von Wasserstoff zu Helium wird auch die nach außen gerichtete Energie abgeschnitten, die die Sterne gegen den nach innen gerichteten Druck ihrer eigenen Schwerkraft stützt.

Der Kern kollabiert, während die äußeren Schichten des Sterns abgestoßen werden. Zurück bleibt ein schwelender Sternkern, ein Weißer Zwerg, der von einer sich ausbreitenden Wolke aus ehemaligem Sternenmaterial umgeben ist.

Wenn die Sonne diesen Prozess in etwa 5 Milliarden Jahren durchläuft, wird sie den Rest ihrer Existenz als einsamer Weißer Zwerg verbringen, aber nicht alle toten Sterne haben ein so einsames Nachleben.

Rund 50 % der Sterne mit einer Masse um die der Sonne existieren in einem Doppelsternsystem mit einem anderen Stern. Das bedeutet, dass auch viele Weiße Zwerge in Doppelsternsystemen vorkommen.

Das wichtigste Ergebnis der Forschung des Teams ist die Bestätigung, dass es viele exotische Wege gibt, auf denen Weiße Zwerge explodieren können, und dass diese Prozesse die binären Partner dieser toten Sterne betreffen.

Eine Illustration zeigt einen Überrest eines Weißen Zwergsterns in einem Doppelsternsystem mit einem sonnenähnlichen Stern. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Wenn zwei sonnenähnliche Sterne im selben Doppelsternsystem existieren, da sie etwa zur selben Zeit aus derselben kollabierenden Gas- und Staubwolke entstanden sind, ist es nur natürlich, dass sich beide Sterne etwa zur selben Zeit zu Weißen Zwergen entwickeln.

So entsteht ein Doppelsternsystem mit zwei Weißen Zwergen, die umeinander kreisen. Nach und nach nähern sich diese Sternüberreste immer mehr an, bis sie kollidieren und verschmelzen. Dies kann auf zwei Arten eine Supernova auslösen: Zum einen kann durch die Kollision selbst ein größerer Weißer Zwerg und eine Supernova vom Typ Ia entstehen. Zum anderen kann aus dem dabei entstehenden Sternüberrest ein „Tochter“-Überrest entstehen, der eine Masse hat, die mehr als das 1,4-fache der Sonnenmasse beträgt. Diese Masse ist von Bedeutung, da sie das Chandrasekhar-Limit darstellt, bei dessen Überschreitung ein Stern in einer Kernkollaps-Supernova explodieren und einen Neutronenstern erzeugen kann.

Eine Illustration zeigt zwei tote weiße Zwerge, die kollidieren und verschmelzen. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Befindet sich ein Weißer Zwerg in einem Doppelsternsystem mit einem „normalen“ Hauptreihenstern, der sich noch nicht in einen Weißen Zwerg oder Neutronenstern verwandelt hat, hat er auch die Möglichkeit, „zur Nova zu werden“. Wenn der Weiße Zwerg und sein Begleitstern nahe genug beieinander sind oder wenn der Hauptreihenstern in seine „Rote-Riesen-Phase“ eintritt und sich aufbläht, kann der stellare Überrest Material von seinem Partner abziehen. Der stellare Vampirfraß setzt sich fort, bis die gespendete Masse die Masse des Weißen Zwergs über die Chandrasekhar-Grenze drückt und eine Supernova vom Typ Ia auslöst, die den Weißen Zwerg normalerweise auslöscht.

Es gibt seltene Fälle, in denen ein Weißer Zwerg nach einer Überfütterung nicht in einer solchen Supernova zerstört wird, sondern sich in einen verwüsteten „Zombie-Stern“ verwandelt. Solche Ereignisse werden als Supernovae vom Typ Ia bezeichnet, die für Astronomen besonders nützlich sind, weil sie aufgrund ihrer Standardlichtleistung zur Messung kosmischer Entfernungen verwendet werden können. Dies bedeutet, dass Supernovae des Typs Ia als „Standardkerzen“ verwendet werden können, um die Beschleunigung der Expansion des Universums als Folge der dunklen Energie zu verfolgen. Tatsächlich waren es Beobachtungen von Supernovae vom Typ Ia, die 1998 zur Entdeckung der dunklen Energie führten.

Eine Illustration zeigt einen „Vampir“-Neutronenstern, der sich von einem nahen Begleitstern ernährt (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Es wäre schön, wenn Forschungsarbeiten wie diese über explodierende Weiße Zwerge dazu beitragen würden, diese Supernovas zu standardisieren, und damit den Forschern helfen würden, dieses seit über 26 Jahren bestehende Rätsel endlich zu lösen.

Um Supernovae vom Typ Ia auf diese Weise nutzen und die dunkle Energie untersuchen zu können, müssen die Forscher jedoch verstehen, wie diese Ereignisse variieren können. Als das Team die Vielfalt der Supernova-Ereignisse vom Typ Ia aufdeckte, entdeckte es Unterpopulationen und extreme Objekte, die verwendet werden konnten, um die Ähnlichkeit der Merkmale oder „Homogenität“ der Supernovas in ihrer Stichprobe zu untersuchen.

Die Forscher konnten auch untersuchen, wie sich Supernovae vom Typ Ia je nach der Umgebung, in der sie ausbrechen, unterscheiden. War diese Region mit jungen oder alten Sternen gefüllt, oder war sie mit einer Fülle von interstellarem Staub oder Gas gefüllt, das von einem Begleitstern abgestreift wurde? Auf diese Weise konnten sie herausfinden, welche Supernovae sich am meisten ähneln und daher für die Berechnung der kosmischen Entfernung verwendet werden sollten.

„In den letzten fünf Jahren hat eine Gruppe von dreißig Experten aus der ganzen Welt diese Daten gesammelt, zusammengestellt und ausgewertet. Jetzt stellen wir sie der gesamten Gemeinschaft zur Verfügung“, sagte Mickael Rigault, Forscher am Institut des deux Infinis de Lyon und Leiter der ZTF-Arbeitsgruppe Kosmologie, in einer separaten Erklärung.

„Diese Probe ist in Bezug auf Größe und Homogenität so einzigartig, dass wir erwarten, dass sie das Feld der Supernova-Kosmologie erheblich beeinflussen und zu vielen zusätzlichen neuen Entdeckungen führen wird, zusätzlich zu den Ergebnissen, die wir bereits veröffentlicht haben.“

Die Ergebnisse wurden in einer Reihe von Artikeln veröffentlicht, die in einer Sonderausgabe von Astronomy & Astrophysics erschienen sind.