Sterne explodieren in staubigen Galaxien – wir können sie nicht immer sehen

Das Bild zeigt die Galaxie Arp 148, aufgenommen von den Spitzer- und Hubble-Teleskopen der NASA. Im weißen Kreis erscheinen speziell verarbeitete Spitzer-Daten, die Infrarotlicht einer von Staub verborgenen Supernova enthüllen. Dies ist eine von fünf versteckten Supernovae, die zum ersten Mal in einem kürzlich erschienenen Artikel dokumentiert wurden. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

Explodierende Sterne erzeugen spannende Lichtshows. Infrarot-Teleskope wie Spitzer sind in der Lage, durch den Dunst zu sehen und eine bessere Vorstellung davon zu geben, wie oft diese Eruptionen auftreten.

Man könnte meinen, Supernovae – der Todeskampf massereicher Sterne und eine der hellsten und stärksten Explosionen im Universum – wären kaum zu übersehen. Die Zahl solcher Explosionen, die in den entlegensten Teilen des Universums beobachtet werden, ist jedoch viel geringer als die Erwartungen der Astrophysiker.

Neue Studie mit Daten von NASADas kürzlich in Rente gegangene Spitzer-Weltraumteleskop berichtete über die Entdeckung von fünf Supernovae, die noch nie zuvor im optischen Licht entdeckt worden waren. Spitzer sah das Universum im Infrarotlicht, das durch Staubwolken dringt, die optisches Licht blockieren – die Art von Licht, die unsere Augen sehen und die ungehinderte Supernovae am hellsten strahlen.

Um nach versteckten Supernovae zu suchen, untersuchten die Forscher Spitzers Beobachtungen von 40 staubigen Galaxien. (Im Weltraum bezieht sich Staub auf kornartige Partikel mit einer rauchähnlichen Textur.) Basierend auf der Anzahl, die sie in diesen Galaxien gefunden haben, bestätigt die Studie, dass Supernovae tatsächlich so häufig auftreten, wie Wissenschaftler erwarten. Diese Vorhersage basiert auf dem aktuellen Wissen der Wissenschaftler über die Entwicklung von Sternen. Studien wie diese sind notwendig, um dieses Verständnis zu verbessern, entweder indem bestimmte Aspekte davon gestärkt oder in Frage gestellt werden.

Laden Sie dieses kostenlose NASA-Poster herunter, das an das ausgemusterte Spitzer-Weltraumteleskop erinnert. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

„Diese Ergebnisse mit Spitzer zeigen, dass die optischen Vermessungen, auf die wir uns seit langem zum Nachweis von Supernovae verlassen haben, die Hälfte der Starbursts verfehlen, die da draußen im Universum auftreten“, sagte Ori Fox, Wissenschaftler am Space Telescope Science Institute in Baltimore. Maryland und Hauptautor der neuen Studie, die in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht wurde. „Es ist eine sehr gute Nachricht, dass die Anzahl der Supernovae, die wir mit Spitzer sehen, statistisch mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmt.“

Das „Supernova-Paradox“ – die Diskrepanz zwischen der Zahl der vorhergesagten Supernovae und der von optischen Teleskopen beobachteten Zahl – ist im nahen Universum kein Problem. Dort haben Galaxien das Tempo der Sternentstehung verlangsamt und sind im Allgemeinen weniger staubig. In den äußersten Regionen des Universums erscheinen Galaxien jedoch jünger, produzieren Sterne mit höheren Raten und neigen dazu, größere Mengen an Staub zu enthalten. Dieser Staub absorbiert und streut optisches und ultraviolettes Licht und verhindert, dass es Teleskope erreicht. Daher argumentieren Forscher seit langem, dass fehlende Supernovae existieren und unsichtbar sein müssen.

„Da sich das Lokaluniversum seit seinen frühen Jahren der Sternentstehung etwas beruhigt hat, sehen wir bei typischen optischen Suchen die erwartete Anzahl von Supernovae“, sagte Fox. „Allerdings nimmt die Rate der beobachteten Supernova-Erkennung ab, je weiter man sich bewegt und geht zurück in kosmische Zeitalter, als die staubigsten Galaxien vorherrschten.“

Supernovae auf so große Entfernungen zu entdecken, kann eine Herausforderung sein. Um eine Suche nach Supernovae durchzuführen, die von mysteriösen galaktischen Welten umgeben sind, jedoch in weniger extremen Entfernungen, wählte das Team von Fox eine lokale Gruppe von 40 stauberstickten Galaxien aus, die als leuchtende und ultraleuchtende Infrarotgalaxien (LIRGs bzw. ULIRGs) bekannt sind. Staub in LIRGs und ULIRGs absorbiert optisches Licht von Objekten wie Supernovae, lässt jedoch Infrarotstrahlung von denselben Objekten ungehindert passieren, bis Teleskope wie Spitzer sie erkennen können.

Die Vermutung der Forscher erwies sich als richtig, als die fünf noch nie zuvor gesehenen Supernovae im (Infrarot-)Licht erschienen. „Es ist ein Beweis für Spitzers Entdeckungspotenzial, dass das Teleskop das subtile Supernova-Signal dieser staubigen Galaxien aufnehmen konnte“, sagte Fox.

Co-Autor der Studie Alex Filippenko, Professor für Astronomie an der Universität von Kalifornien, Berkeley. „Sie halfen bei der Beantwortung der Frage: ‚Wo sind all die Supernovae geblieben?‘ „

Die von Spitzer entdeckten Arten von Supernovae sind als „basische Kollaps-Supernovae“ bekannt, zu denen Riesensterne mit einer Masse von mindestens der achtfachen Sonnenmasse gehören. Wenn sie altern und sich ihre Kerne mit Eisen füllen, können große Sterne nicht mehr genug Energie produzieren, um ihrer eigenen Schwerkraft zu widerstehen, und ihre Kerne kollabieren plötzlich und katastrophal.

Die starken Drücke und Temperaturen, die während des schnellen Kalbens erzeugt werden, bilden durch Kernfusion neue chemische Elemente. Kollabierte Sterne prallen schließlich von ihren superdichten Kernen ab, sprengen sich in winzige Stücke und verstreuen diese Elemente im ganzen Weltraum. Supernovae produzieren „schwere“ Elemente, wie die meisten Metalle. Diese Elemente sind für den Bau von Gesteinsplaneten wie der Erde sowie von biologischen Organismen unerlässlich. Im Allgemeinen sind Supernovaraten eine wichtige Untersuchung von Sternentstehungsmodellen und der Entstehung schwerer Elemente im Universum.

„Wenn Sie einen Hinweis darauf haben, wie viele Sterne sich bilden, können Sie vorhersagen, wie viele explodieren“, sagte Fox. „Oder umgekehrt, wenn Sie einen Hinweis darauf haben, wie viele Sterne explodieren, können Sie vorhersagen, wie viele Sterne sich bilden. Diese Beziehung zu verstehen ist für viele Bereiche der Astrophysik von entscheidender Bedeutung.“

Teleskope der nächsten Generation, darunter das Weltraumteleskop Roman Nancy Grace der NASA und das Weltraumteleskop James Webb, werden Infrarotlicht wie Spitzer erkennen.

„Unsere Studie hat gezeigt, dass Sternentstehungsmodelle konsistenter mit Supernova-Raten sind als bisher angenommen“, sagte Fox. „Indem Spitzer diese versteckten Supernovae enthüllte, ebnete Spitzer den Weg für neuartige Entdeckungen mit Webb- und römischen Weltraumteleskopen.“

Referenz: „A Spitzer A Survey of Dust-obscured Supernovae“ von Uri de Vox, Harish Khandrika, David Rubin, Chadwick Casper, Gary Z Lee, Tamas Szalay, Lee Armos, Alexei V. Filipenko, Michael F. Skrutsky, Lou Strulger und Schuyler de Van Dyck, 21. Juni 2021 und Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stab1740

Mehr zur Mission

Das Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien hat Missionsoperationen durchgeführt und die Spitzer-Weltraumteleskop-Mission für das Science Mission Directorate der Agentur in Washington befehligt. Der wissenschaftliche Betrieb wurde am Spitzer Science Center am California Institute of Technology in Pasadena durchgeführt. Die Raumfahrzeugoperationen wurden im Lockheed Martin Space in Littleton, Colorado, stationiert. Die Daten werden im Infrared Science Archive am IPAC des California Institute of Technology archiviert. Caltech läuft Labor für Strahlantriebe zur Nasa.