Sterne explodieren asymmetrisch

Sterne mit mehr als dem Achtfachen der Sonnenmasse enden als Kernkollaps-Supernova. Wenn im Zentralbereich der nukleare Energievorrat verbraucht ist, kollabiert der Kern des Sterns. Eine vom Kern nach außen laufende Stoßwelle führt zur eigentlichen Explosion des Sterns, zur Abstoßung der äußeren Schichten ins All. Doch ganz so einfach, wie es klingt, ist es nicht: Es hat sich als überaus schwierig erwiesen, einen robusten Mechanismus zu finden, der tatsächlich zu einer Explosion des Sterns führt. Der überwiegende Teil der Energie beim Kollaps geht über Neutrinos verloren – und diese durchqueren die Außenschichten nahezu ungehindert und geben dort keine Energie ab. Als vielversprechend haben sich Ansätze erwiesen, die eine starke Abweichung des Vorgangs von der sphärischen Symmetrie annehmen. Eine solche Asymmetrie könnte durch eine Vielzahl unterschiedlicher Effekte zustande kommen, von konvektiven Instabilitäten bis zu einer schnellen Rotation des Vorgängersterns. Diese führt zu einer „bipolaren“ Explosion, bei der die Materie bevorzugt entlang der Rotationsachse herausgeschleudert wird.

cassiopeia a
Abb.: Aufnahme des Supernova-Überrests Cassiopeia A, zusammengesetzt aus Bilder der Weltraumteleskope Hubble (optisch), Spitzer (Infrarot) und Chandra (Röntgen). (Bild: Nasa / JPL / Caltech)

Brian Grefenstette vom California Institute of Technology im kalifornischen Pasadena und seinen Kollegen ist es nun erstmals gelungen, die Verteilung von Titan-44 bei einem Supernova-Überrest zu messen. „Die Verteilung von Titan-44 zeigt uns unmittelbar die Asymmetrie der Explosion, denn das Isotop entsteht an der Grenzschicht des kollabierenden Kerns“, schreiben die Forscher. Cassiopeia-A ist 11.000 Lichtjahre von uns entfernt und hat einen Durchmesser von etwa zehn Lichtjahren. Von der Erde aus gesehen ist der Stern vermutlich im Jahr 1680 explodiert. Aus dieser Zeit liegen aber keine Beobachtungen einer Supernova vor, da das Ereignis verborgen hinter dichten Gas- und Staubwolken stattfand.

Die Messungen des Teams mit den Detektoren des US-amerikanischen Weltraum-Röntgenteleskops NuSTAR zeigen, dass das Titan-44 in Cassiopeia ungleichmäßig verteilt ist – aber nicht so ungleichmäßig, wie es im Falle einer bipolaren Explosion zu erwarten wäre. „Die beobachtete Verteilung schließt eine symmetrische Explosion ebenso aus wie eine hochgradig asymmetrische bipolare Explosion“, so die Forscher. „Stattdessen finden wir starke Indizien für konvektive Instabilitäten bei Kernkollaps-Supernovae“. Insbesondere, so Grefenstette und seine Kollegen, seien offenbar Dipol- und Quadrupol-Schwingungen des Kerns von großer Bedeutung.

Problematisch ist, dass die von NuSTAR gelieferte Verteilung des Titan-44 nicht mit der Verteilung von Eisen-56 übereinstimmt, wie sie frühere Beobachtungen mit dem Chandra X-ray Observatory geliefert hatten. Denn alle Modelle für Kernkollaps-Supernovae sagen voraus, dass diese beiden Stoffe eine identische Verteilung zeigen sollten. Martin Laming vom Naval Research Laboratory in Washington spekuliert daher, es könne sich bei Cassiopeia A um einen seltenen Fall handeln, bei dem sich der beim Kernkollaps entstandene Neutronenstern in einen exotischen Quarkstern verwandelt hat und anschließend in einer zweiten Explosion vergangen ist. Mit dieser von Laming selbst als „kontrovers“ bezeichneten Idee ließe sich eventuell die Entkopplung von Titan und Eisen erklären.

Originalveröffentlichung:

B. W. Grefenstette et al.: Asymmetries in core-collapse supernovae from maps of radioactive 44Ti in Cassiopeia A, Nature 506, 339 (2014); DOI: 10.1038/nature12997

Brian Grefenstette am California Institute of Technology

Naval Research Laboratory

NuSTAR

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