Sterne explodieren in staubigen Galaxien. Wir können sie nur nicht immer sehen

Explodierende Sterne erzeugen dramatische Lichtspiele. Infrarotteleskope wie Spitzer können durch den Dunst hindurchsehen und eine bessere Vorstellung davon vermitteln, wie oft diese Explosionen stattfinden.

Man sollte meinen, dass Supernovae – der Todeskampf massereicher Sterne und eine der hellsten und stärksten Explosionen im Universum – kaum zu übersehen sind. Doch die Zahl dieser Explosionen, die in den fernen Teilen des Universums beobachtet werden, bleibt weit hinter den Vorhersagen der Astrophysiker zurück.

Eine neue Studie, die Daten des kürzlich ausgemusterten Spitzer-Weltraumteleskops der NASA verwendet, berichtet über die Entdeckung von fünf Supernovae, die im optischen Licht unentdeckt blieben und nie zuvor gesehen worden waren. Spitzer hat das Universum im Infrarotlicht gesehen, das Staubwolken durchdringt, die das optische Licht blockieren – die Art von Licht, die unsere Augen sehen und die von Supernovae, die nicht verdeckt sind, am hellsten ausgestrahlt wird.

Um nach versteckten Supernovae zu suchen, untersuchten die Forscher Spitzer-Beobachtungen von 40 staubigen Galaxien. (Im Weltraum bezeichnet Staub kornartige Partikel mit einer rauchähnlichen Konsistenz). Anhand der Anzahl, die sie in diesen Galaxien gefunden haben, bestätigt die Studie, dass Supernovae tatsächlich so häufig auftreten, wie die Wissenschaftler es erwarten. Diese Erwartung beruht auf dem derzeitigen Wissen der Wissenschaftler darüber, wie sich Sterne entwickeln. Studien wie diese sind notwendig, um dieses Verständnis zu verbessern, indem sie bestimmte Aspekte davon entweder bestätigen oder in Frage stellen.

„Diese Ergebnisse mit Spitzer zeigen, dass die optischen Durchmusterungen, auf die wir uns seit langem bei der Entdeckung von Supernovae verlassen, bis zur Hälfte der Sternexplosionen da draußen im Universum übersehen“, so Ori Fox, Wissenschaftler am Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, und Hauptautor der neuen Studie, die in den 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.

Die „Supernova-Diskrepanz“ – d.h. die Unstimmigkeit zwischen der Anzahl der vorhergesagten Supernovae und der von optischen Teleskopen beobachteten Anzahl – ist im nahen Universum kein Thema. Dort haben die Galaxien ihr Tempo der Sternentstehung verlangsamt und sind im Allgemeinen weniger staubig. In den weiter entfernten Bereichen des Universums erscheinen die Galaxien jedoch jünger, produzieren Sterne mit höherer Geschwindigkeit und weisen tendenziell größere Mengen an Staub auf. Dieser Staub absorbiert und streut das optische und ultraviolette Licht und verhindert, dass es die Teleskope erreicht. Daher sind Forscher schon lange zu dem Schluss gekommen, dass die fehlenden Supernovae existieren müssen und nur nicht zu sehen sind.

„Da sich das lokale Universum seit den frühen Jahren der Sternentstehung etwas beruhigt hat, sehen wir die erwartete Anzahl von Supernovae bei der typischen optischen Suche“, so Fox. „Der Prozentsatz der entdeckten Supernovae sinkt jedoch, je weiter man sich entfernt und je weiter man in kosmische Epochen zurückgeht, in denen staubigere Galaxien dominierten.

Die Entdeckung von Supernovae in diesen großen Entfernungen kann eine Herausforderung sein. Um nach Supernovae zu suchen, die in dunkleren galaktischen Bereichen, aber in weniger extremen Entfernungen verborgen sind, wählte das Team von Fox eine lokale Gruppe von 40 staubverschmutzten Galaxien aus, die als leuchtende und ultraleuchtende Infrarotgalaxien (LIRGs bzw. ULIRGs) bekannt sind. Der Staub in LIRGs und ULIRGs absorbiert das optische Licht von Objekten wie Supernovae, lässt aber das infrarote Licht dieser Objekte ungehindert passieren, so dass es von Teleskopen wie Spitzer erfasst werden kann.

Die Vermutung der Forscher erwies sich als richtig, als die fünf noch nie zuvor gesehenen Supernovae ans (Infrarot-)Licht kamen. „Es ist ein Beweis für das Entdeckungspotenzial von Spitzer, dass das Teleskop in der Lage war, das Signal von versteckten Supernovae aus diesen staubigen Galaxien aufzuspüren“, so Fox.

„Es hat einigen unserer Studenten besonders viel Spaß gemacht, einen bedeutenden Beitrag zu dieser aufregenden Forschung zu leisten“, fügte Studienkoautor Alex Filippenko, Professor für Astronomie an der University of California, Berkeley, hinzu. „Sie halfen bei der Beantwortung der Frage: ‚Wo sind all die Supernovae hin?'“

Bei den von Spitzer entdeckten Supernovae handelt es sich um so genannte „Kernkollaps-Supernovae“, an denen Riesensterne mit mindestens der achtfachen Masse der Sonne beteiligt sind. Wenn sie alt werden und sich ihre Kerne mit Eisen füllen, können die großen Sterne nicht mehr genug Energie erzeugen, um ihrer eigenen Schwerkraft zu widerstehen, und ihre Kerne kollabieren plötzlich und katastrophal.

Durch den hohen Druck und die hohen Temperaturen, die während des schnellen Einsturzes entstehen, werden durch Kernfusion neue chemische Elemente gebildet. Die kollabierenden Sterne prallen schließlich von ihren extrem dichten Kernen ab, sprengen sich selbst in die Luft und verstreuen diese Elemente im Weltraum. Supernovae erzeugen „schwere“ Elemente, wie die meisten Metalle. Diese Elemente sind für den Aufbau von Gesteinsplaneten wie der Erde und von biologischen Lebewesen notwendig. Insgesamt dienen die Supernova-Raten als wichtiger Prüfstein für Modelle der Sternentstehung und der Entstehung schwerer Elemente im Universum.

„Wenn man weiß, wie viele Sterne sich bilden, kann man auch vorhersagen, wie viele Sterne explodieren werden“, so Fox. „Umgekehrt kann man, wenn man weiß, wie viele Sterne explodieren, vorhersagen, wie viele Sterne sich bilden. Das Verständnis dieser Beziehung ist für viele Bereiche der Astrophysik von entscheidender Bedeutung“.

Teleskope der nächsten Generation, darunter das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA und das James Webb Space Telescope, werden wie Spitzer infrarotes Licht erfassen.

„Unsere Studie hat gezeigt, dass die Sternentstehungsmodelle besser mit den Supernova-Raten übereinstimmen als bisher angenommen“, so Fox. „Und indem wir diese verborgenen Supernovae aufgedeckt haben, hat Spitzer die Voraussetzungen für neuartige Entdeckungen mit den Weltraumteleskopen Webb und Roman geschaffen.“

Mehr über die Mission

Das Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien leitete die Mission und verwaltete die Spitzer-Weltraumteleskop-Mission für das Science Mission Directorate der Behörde in Washington. Der wissenschaftliche Betrieb wurde im Spitzer Science Center am Caltech in Pasadena durchgeführt. Der Betrieb der Raumsonde war bei Lockheed Martin Space in Littleton, Colorado, angesiedelt. Die Daten werden im Infrarot-Wissenschaftsarchiv archiviert, das im IPAC am Caltech untergebracht ist. Caltech verwaltet das JPL für die NASA.

Weitere Informationen über Spitzer finden Sie unter:

https://www.nasa.gov/mission_pages/spitzer/main

Bildnachweis: www.nasa.gov

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