(Main) ein Bild der Supernova 1987A, aufgenommen vom JWST, das die mysteriöse „Perlenkette“ zeigt (Inset) ein Diagramm, das zeigt, wie dieses Merkmal entstanden sein könnte(Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, M. Matsuura (Cardiff University), R. Arendt (NASA’s Goddard Spaceflight Center & University of Maryland, Baltimore County), C. Fransson (Universität Stockholm), J. Larsson (KTH Royal Institute of Technology), A. Pagan (STScI)/Michael Wadas, Scientific Computing and Flow Laboratory, University of Michigan)
Wissenschaftler haben möglicherweise herausgefunden, wie eine Supernova, die sich relativ nahe an der Erde befindet, mit einer bemerkenswerten „Perlenkette“ verziert wurde.
Die Supernova 1987A (SN 1987A) stellt die Überreste einer gewaltigen kosmischen Explosion dar, die einen massereichen Stern zerriss und einen von stellarem Material umgebenen Neutronenstern hinterließ. Er befindet sich in einer Satellitengalaxie der Milchstraße, der Großen Magellanschen Wolke (LMC). Diese Region ist etwa 160.000 Lichtjahre von uns entfernt.
Besonders bemerkenswert an SN 1987A ist die Tatsache, dass sie von Klumpen glühenden Wasserstoffplasmas umgeben ist – eine Struktur, die in der Astrophysik seit langem ein Rätsel darstellt. Ein Phänomen namens Rayleigh-Taylor-Instabilität wird häufig zur Erklärung der Bildung von Flüssigkeitsstrukturen im Plasma herangezogen, wie wir sie um SN 1987A herum sehen, aber dieses Konzept allein kann den kosmischen Schmuck des Supernova-Überrests nicht vollständig erklären.
Jetzt aber verstehen Forscher der Universität Michigan vielleicht endlich, wie diese „Perlenkette“ geschmiedet wurde. Sie glauben, dass die Struktur mit der Art und Weise zusammenhängt, wie Kondensstreifen erzeugt werden. Das sind die flauschigen weißen Streifen, die Flugzeuge am Himmel hinterlassen, wenn sie über die Erde fliegen.
„Hier könnte derselbe Mechanismus im Spiel sein, der auch die Wirbelschleppen von Flugzeugen auflöst“, sagte Michael Wadas, Mitglied des Teams und Forscher am California Institute of Technology, in einer Erklärung.
Mit dieser Flugzeugparallele schlägt das Team vor, dass die Bildung der Wasserstoffklumpen von SN1987A das Ergebnis eines Mechanismus namens „Crow-Instabilität“ sein könnte. Dieses Phänomen tritt auf, wenn die Luftströme der einzelnen Flügel eines Jets, die so genannten Flügelspitzenwirbel, ineinander übergehen. Dadurch entstehen Lücken in den sonst glatten Wolkenlinien, die durch den Wasserdampf im Abgas des Jets sichtbar werden.
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Die Kräheninstabilität kann auch etwas, was Rayleigh-Taylor nicht kann: Sie hilft den Forschern, die Anzahl der Klumpen vorherzusagen, die um den Supernova-Überrest herum zu sehen sein sollten.
„Die Rayleigh-Taylor-Instabilität könnte Ihnen sagen, dass es Klumpen geben könnte, aber es wäre sehr schwierig, eine Zahl daraus zu ziehen“, sagte Wadas.
Anziehen wie eine Superstar-Supernova
Die Nähe von SN 1987A zur Erde ist nur ein Teil dessen, was sie zu einer der berühmtesten und am besten untersuchten Supernovae macht.
Außerdem ereignete sich diese kosmische Explosion zu einem Zeitpunkt, an dem ihr Licht die Erde erreichen konnte, also zu einer Zeit, als die Menschheit mit den notwendigen Instrumenten ausgestattet war, um ihre Entwicklung zu beobachten. In der Tat war SN 1987A die erste Supernova, die mit bloßem Auge sichtbar war, seit Keplers Supernova im Jahr 1604 gesehen wurde. All dies macht SN 1987A zu einem unglaublich seltenen astrophysikalischen Ereignis, das einen immensen Einfluss auf unser Verständnis der Entwicklung und des letztendlichen Todes von Sternen hat.
Supernovae wie SN 1987A treten auf, wenn massereiche Sterne ihren Brennstoffvorrat für die Kernfusion in ihrem Kern erschöpfen. Dies führt dazu, dass sich der Kern eines Sterns schnell zusammenzieht und eine Schockwelle erzeugt, die eine gewaltige Explosion, eine Supernova, auslöst, bei der die äußeren Schichten des sterbenden Sterns herausgeschleudert werden. Dieser Sternkern verwandelt sich je nach seiner Masse entweder in einen Neutronenstern oder in ein Schwarzes Loch.
Die Supernova 1987A, wie sie vom Hubble-Weltraumteleskop und James Webb-Weltraumteleskop gesehen wurde. (Bildnachweis: Hubble-Weltraumteleskop WFPC-3/James Webb-Weltraumteleskop NIRSpec/J. Larsson)
Wissenschaftler tappen immer noch etwas im Dunkeln, was den Stern betrifft, der starb und die Trümmer hinterließ, die Wissenschaftler SN 1987A nennen. Tatsächlich konnten wir erst in diesem Jahr dank der Beobachtungen mit dem James Webb Space Telescope (JWST) feststellen, dass sich im Herzen von SN 1987A tatsächlich ein Neutronenstern befindet.
Wissenschaftler stellen jedoch die Theorie auf, dass der Gasring, der den Stern umgibt, der zur SN 1987A explodierte, durch die Verschmelzung von zwei Sternen entstanden ist. Bei dieser Kollision wurde den beiden Sternen Wasserstoff entrissen, der in den Weltraum entweicht, während die Verschmelzung zu einem blauen Überriesenstern führt.
Dies wäre Zehntausende von Jahren vor der eigentlichen Supernova geschehen. In der Zeit vor der Sternexplosion hätten starke Sternwinde aus geladenen Hochgeschwindigkeitsteilchen, die vom Stern ausgingen, dieses Gas durcheinander gewirbelt. Dadurch könnten sich die Wasserstoffklumpen um den Stern gebildet haben, bevor er zur Supernova wurde. Das bedeutet, dass die Perlenkette, die SN 1987A schmückt, bereits vor der Supernova vorhanden gewesen sein könnte.
Eine Simulation, die zeigt, wie sich Wasserstoffklumpen um den Stern bilden, der explodierte und SN 1987A verursachte. (Bildnachweis: Michael Wadas, Scientific Computing and Flow Laboratory, University of Michigan)
Um diese Entstehungsgeschichte zu bestätigen, erstellte das Team der University of Michigan eine ausgeklügelte Simulation der Wolke, die durch den Sternwind nach außen gedrückt wird, da der Teilchenstrom eine Art Zugkraft auf die Wolke ausübt.
Das führte dazu, dass der obere und untere Teil der Gaswolke weiter und schneller nach außen gedrückt wurde als der mittlere Bereich. Die Wolke rollte sich in sich selbst ein, und dieses Verhalten löste die sogenannte Crow-Instabilität aus. Dies wiederum führte dazu, dass die Wolke in gleichmäßige Klumpen auseinanderbrach – die Perlen, die SN 1987A jetzt trägt.
Die Simulation des Teams sagte speziell voraus, dass SN 1987A mit 32 Perlen geschmückt sein sollte, was erfreulich nahe an den 30 Wasserstoffklumpen liegt, die bei tatsächlichen Beobachtungen um dieses Supernova-Wrack herum gesehen wurden.
„Das ist ein wichtiger Grund, warum wir glauben, dass dies die Crow-Instabilität ist“, sagte der Hauptautor der Studie und Wissenschaftler der University of Michigan, Eric Johnsen, in der Erklärung.
SN 1987A, gesehen vom JWST. (Bildnachweis: NASA/ESA/CSA/Mikako Matsuura (Universität Cardiff)/Richard Arendt (NASA-GSFC, UMBC)/Claes Fransson (Universität Stockholm)/Josefin Larsson (KTH)).
Die Simulation des Teams sagte auch voraus, dass die Crow-Instabilität tatsächlich weitere Stränge von Wasserstoffperlen um SN 1987A herum erzeugt haben könnte, die schwächer sind als die erste kosmische Halskette.
Dies ist etwas, das sich in einem JWST-Bild der Supernova-Trümmer zu manifestieren scheint, das im August 2023 aufgenommen wurde. Dies deutet darauf hin, dass die berühmte Supernova mit noch mehr kosmischem Schmuck geschmückt sein könnte, als die Astronomen derzeit sehen können.
Die Untersuchung dieser Wasserstoffperlen könnte den Wissenschaftlern auch dabei helfen herauszufinden, ob bei der Bildung von Planeten in den kollabierenden Gas- und Staubwolken um junge Sterne eine Crow-Instabilität im Spiel ist.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 13. März in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
