Forschungsbericht 2006 - Max-Planck-Institut für Astrophysik

Der Ursprung des Krebsnebels

The Supernovae that made the Crab Nebulae

Autoren
Kitaura, Francesco; Janka, Hans-Thomas; Buras, Robert;
Abteilungen

Stellare Astrophysik (Prof. Dr. Wolfgang Hillebrandt)
MPI für Astrophysik, Garching

Zusammenfassung
Einer Gruppe von Röntgenastronomen am Max-Planck-Institut für Astrophysik gelang es das dreißig Jahre alte Problem, woher die Strahlung des galaktischen Röntgenhintergrunds stammt, zu lösen: Es ist die Emission einer großen Zahl einzelner Punktquellen, hauptsächlich kataklymischer Varaiabler und koranalaktiver Sterne besteht.Hierfür wurden Beobachtungsdaten verschiedener Instrumente kombiniert (RXTE/PCA, INTEGRAL/IBIS, CHANDRA/ACIS, ROSAT/PSPC im Röntgenbereich und COBE/DIRBE im Infraroten).
Summary
A team of X-ray astronomers at the Max Planck Institute for Astrophysics resolved the thirty-years-old puzzle of the origin of the Galactic X-ray background emission. Combining data from various space-based X-ray instruments (RXTE/PCA, INTEGRAL/IBIS, CHANDRA/ACIS, ROSAT/PSPC) and infrared instruments (COBE/DIRBE) they showed that the Galactic X-ray background predominantly consists of emission of a large number of point sources, mostly cataclysmic variables and coronally active stars.

Als chinesische und arabische Astronomen im Frühling des Jahres 1054 nach Christus den Himmel beobachteten, fiel ihnen ein neuer Stern im Sternbild Stier auf, der so hell wie die Venus war. Ihren historischen überlieferungen zufolge wurde dieser „Gaststern“, innerhalb von Wochen zunehmend heller und konnte im Juli dann für 23 Tage sogar am Taghimmel gesehen werden. Seine Beobachtung mit bloßen Augen war über zwei Jahre hinweg möglich.

Heute ist bekannt, dass diese Beobachtungen mit der Geburt des Krebsnebels in einer gigantischen Supernova-Explosion zusammenfallen. Nach Millionen von Jahren ruhiger Entwicklung hatte ein massereicher Stern seinen nuklearen Brennstoff aufgebraucht. Damit war die Energiequelle in seinem Zentrum erloschen, die ihn gegen die gewaltigen Kräfte seiner eigenen Gravitation stabilisierte. Innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde stürzte daraufhin sein Kern zu einem Neutronenstern zusammen. Ein solches kompaktes Objekt hat mehr Masse als die Sonne, dabei aber nur einen Durchmesser von rund 20 Kilometern. Dieser Neutronenstern ist als Pulsar im Krebsnebel sichtbar. Er dreht sich 33-mal pro Sekunde um die eigene Achse und sendet dabei periodische Strahlungspulse aus.

Der größte Teil des Sterns wurde jedoch in einer ungeheuren Explosion mit einer Energie auseinandergesprengt, die aller Strahlung gleichkommt, welche die Sonne in fünf Milliarden Jahren abgegeben hat. Die heißen Sterntrümmer leuchteten dann als der neue Stern auf, von dem die chinesischen und arabischen Astronomen berichteten. Heute sieht man an dieser Himmelstelle die filigrane Gas- und Staubwolke des Krebsnebels, die mittlerweile eine Ausdehnung von rund sechs Lichtjahren hat und sich immer noch mit 1500 Kilometern in der Sekunde ausdehnt (Abb. 1). Sie enthält neben den chemischen Elementen, die der Stern in einer Folge nuklearer Brennphasen aufgebaut hat - zuerst Helium aus Wasserstoff, dann Kohlenstoff aus Helium und schließlich Neon, Magnesium und Sauerstoff aus Kohlenstoff - auch radioaktive Atomkerne, z.B. Nickel, die während der Explosion selbst entstanden sind. Der hohe Anteil von Helium und die relativ geringen Häufigkeiten von Kohlenstoff und Sauerstoff im Krebsnebel wurden als Hinweise darauf interpretiert, dass der explodierende Stern nur die acht- bis zehnfache Masse der Sonne hatte, also gerade genug, um sein Leben in einer Supernova-Explosion zu beenden.

Aber warum explodierte der Stern? Was war der Grund für dieses spektakuläre Ereignis? Eine Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching ist überzeugt, nun die Antwort auf dieses lang Zeit ungeklärte Rätsel gefunden zu haben [1]. Ihre ausgeklügelten Computermodelle belegen, dass Neutrinos die treibende Kraft hinter der Explosion sind. Diese Elementarteilchen entstehen in riesiger Zahl im sehr hei�en und extrem dichten Innern des neu entstandenen Neutronensterns, vor allem durch Reaktionen von Elektronen und Positronen mit Protonen und Neutronen, den Bausteinen von Atomkernen. Nachdem die Neutrinos ihren Weg zur Oberfläche des Neutronensterns gefunden haben, verlassen die meisten davon den Stern und tragen auf diese Art 99 Prozent der Energie fort, die während der Neutronensternbildung freigesetzt wird. Weniger als ein Prozent der Neutrinos wird aber in dem stellaren Gas, das den Neutronenstern umgibt, absorbiert, bevor sie entweichen können. Die dadurch übertragene Energie heizt das Sterngas und bringt es zum Brodeln wie Suppe in einem Dampfkochtopf (Abb. 2). Der sich aufbauende Druck beschleunigt schließlich die äußeren Sternschichten und zersprengt den Stern in einer Supernova-Explosion.

Obwohl diese Theorie für den Beginn der Explosion schon 25 Jahre alt ist, stellte sich heraus, dass ihre Gültigkeit nur sehr schwer mit Computermodellen zu belegen ist (siehe Aktuelle Forschung, Juni 2003). Nun konnten die Modelle der Garchinger Forscher die theoretischen Ideen zumindest für Sterne im unteren Massenbereich von Supernova-Vorläufersternen stützen. Mit der detaillierten und genauen Beschreibung, wie Neutrinos in der Materie im Supernova-Zentrum entstehen und wechselwirken, konnte die
Forschungsgruppe der Max-Planck-Gesellschaft bestätigen, dass das Neutrinoheizen Sternexplosionen auslösen kann wie diejenige, die zur Entstehung des Krebsnebels geführt hat. Die neuen Berechnungen stimmen sehr gut mit Beobachtungen überein, nach denen die Energie dieser Explosion nur rund ein Zehntel der einer typischen Supernova war. Anders als frühere Simulationen sagen sie auch nur geringe Mengen Kohlenstoff, Sauerstoff und Nickel im ausgeschleuderten Sterngas voraus (Abb. 3). Außerdem fehlt die starke Anreicherung der chemischen Zusammensetzung des Supernova-Überrests mit exotischen, seltenen Elementen, die in den älteren Modellen vorhanden war und in krassem Widerspruch zu den beobachteten Elementhäufigkeiten in unserer Milchstraße stand. Wegen der relativ geringen Masse von ausgeschleudertem Sterngas, der niedrigen Explosionsenergie und der kleinen Menge von radioaktivem Material sollten andere Supernovae des Krebs-Typus eine verhältnismäßig schwache Leuchtkraft haben und damit nur schwer bei großen Entfernungen zu entdecken sein, obwohl ein Drittel aller Sternexplosionen von dieser Art sein könnte.

Die Computermodelle legen nahe, dass die Krebs-Supernova nur deshalb ein so ungeheuer helles Ereignis war, weil sie sich in nur 6300 Lichtjahren Abstand von der Erde ereignete. Verglichen mit anderen Supernovae war es eigentlich ein relativ schwaches und unspektakuläres Ereignis. Die Computermodelle geben Hinweise, nach was man Ausschau halten muss, um weitere solche Fälle aufzuspüren.

Originalveröffentlichungen

1.
Kitaura, F.S., H.-Th. Janka and W. HIllebrandt,
Explosions of O-Ne-Mg cores, the Crab supernova, and subliminous type II-P supernovae.
Astronomy and Astrophysics 450, 345 - 350 (2006)
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