Forschungsbericht 2016 - Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Astro-Archäologie mit dem APEX-Teleskop: Eine historische Sternkarambolage als neuartige Quelle von interstellaren Molekülen

Autoren
Menten, Karl M.; Kamiński, Tomasz
Abteilungen
„Millimeter und Submillimeter-Astronomie”
Zusammenfassung
Mit dem APEX-Teleskop wurde die Position der ältesten (1670) historisch dokumentierten „Nova”-Explosion beobachtet. Es wurde die Strahlung einer Vielzahl verschiedener, sogar organischer Molekülsorten nachgewiesen. Deren isotopologische Zusammensetzung impliziert, dass keineswegs „normales” interstellares Gas gefunden wurde, sondern Material, das bei der Kollision zweier Sterne freigesetzt wurde. Diese neue Quelle interstellarer Moleküle erlaubt es, das Endprodukt einer Verschmelzung zweier Sterne zu untersuchen, ein Prozess, der möglicherweise weit häufiger vorkommt als bislang vermutet.

Einleitung

Der „neue” Stern, der mit dem bloßem Auge leicht sichtbar im Jahre 1670 am  Rande des Sternbilds Schwan (im heutigen Füchslein, Vulpecula) erschien, wurde von einigen der bedeutendsten Astronomen dieser Zeit, vor allem von Hevelius, ausgiebig studiert. Schon bald zeigte er Charakteristika, die sich von denen einer Supernova und auch von fast allen später entdeckten sogenannten Novae deutlich unterschieden. So hatte Nova Vulpeculae 1670 (auch CK Vul genannt) eine bemerkenswerte rote Farbe, die auf Extinktion durch Staub hinwies, und sie verschwand über zwei Jahre hinweg zweimal, erschien wieder um dann endgültig dem menschlichen Auge unsichtbar zu bleiben. Mit der Verfügbarkeit moderner Teleskope wurde das Objekt bei verschiedenen Wellenlängen studiert. Diese Beobachtungen bestätigten, dass es sich nicht um eine normale Nova, also den Helligkeitsausbruch eines entwickelten Sternes handelte. Vielmehr entwickelte sich die Vorstellung, dass es sich bei Nova Vul 1670 um die destruktive Explosion eines Sternes gehandelt hatte, was auch das Fehlen eines sichtbaren stellaren Überrestes erklären würde.

Molekulare Überraschungen

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Abb. 1: Spektren von CK Vul, gemessen mit dem APEX 12-m-Teleskop (a)–(c) und dem 100-m-Radioteleskop in Effelsberg (d). Man beachte die sehr großen Linienbreiten!

Im April 2014 wurde die Himmelsposition von CK Vul mit dem Atacama Pathfinder Experiment (APEX-Teleskop) in der Atacama-Wüste beobachtet. APEX hat sehr breitbandige digitale Spektrometer. Mit diesen konnten schon nach kurzer Beobachtungszeit Spektrallinien von einer Vielzahl von Molekülen nachgewiesen werden (Abb. 1), vorwiegend von einfachen di- oder triatomischen Molekülen wie CO, CN, HCN, HNC, NH3, SiO, aber auch von komplexeren organischen Spezies wie Methanol (CH3OH) und Formaldehyd (H2CO). Überaus bemerkenswert sind die sehr großen Breiten der Linien von (in Geschwindigkeitseinheiten) bis zu 400 km/s. Diese weisen in der Tat auf eine Explosion hin! Weitere Beobachtungen bei längeren Wellenlängen im Millimeterbereich mit dem IRAM 30 Meter- und im Zentimeterbereich mit dem Effelsberger 100-Meter-Radioteleskop vertieften das Bild einer äußerst merkwürdigen chemischen Zusammensetzung. So wurde, im Vergleich zu normalen stellaren und interstellaren Objekten, eine Dominanz stickstoffhaltiger Moleküle festgestellt. Noch Erstaunlicheres ergaben die Messungen von Isotopenverhältnissen, welche bis zu einem Faktor 10 von „normalen” Werten abweichen. So wurde für das Verhältnis von 14N zu 15N ein Wert von etwa 26 bestimmt, statt 272 in unserer Sonne. Die gemessenen Isotopenverhältnisse sind hochgradig inkonsistent mit Werten wie sie in normalen Sternen und auch in Novaausbrüchen erzeugt werden. Vielmehr legen sie ein exotischeres Szenario nahe: Wir haben es mit den Endprodukten der Kollision zweier Sterne zu tun. Die dabei gezündete Explosion hat Produkte, die durch stellare Nukleosynthese im Innern der Sterne entstehen und normalerweise sich auch nur dort befinden, in den interstellaren Raum geschleudert, wo  sie heute beobachtet werden können.

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Abb. 2: Das Bild zeigt die Überreste des im Jahr 1670 beobachteten „neuen Sterns”. Es wurde erzeugt durch die Überlagerung eines Bilds im sichtbaren Licht mit dem Gemini-Teleskop (blau), einer Submillimeterkarte der Staubverteilung mit dem SMA (gelb) sowie einer Karte der molekularen Emission von APEX und dem SMA (rot).

Schon bald nach unseren APEX-Messungen wurde das Smithsonian Submillimeter Array (SMA) auf dem Mauna Kea in Hawaii, zu Beobachtungen von Molekülen um CK Vul genutzt. Das SMA, ein aus acht Einzelteleskopen bestehendes Interferometer, hat ein zehnmal besseres Winkelauflösungsvermögen als es APEX bieten kann.

Die SMA-Beobachtungen (Abb. 2) lieferten den direkten Nachweis, dass sich die Molekülemission (in Rot) auf der Position einer schwachen Radioquelle konzentriert, die man mit dem Überrest des Verschmelzungsereignisses assoziiert. Letztere ist von viel Staub umgeben, der in der Abbildung gelb kodiert ist. Die Emission des CO-Moleküls zeigt eine längliche Verteilung, deren Achse mit der des bei optischen Wellenlängen schwach leuchtenden Nebels (in Blautönen) übereinstimmt.

In letzter Zeit werden Sternverschmelzungen vermehrt als die Ursachen rätselhafter episodischer Himmelsereignisse diskutiert, die vor allem auch im Infarotbereich in anderen Galaxien beobachtet werden. Deren Leuchtkräfte liegen, wie die von Nova 1670 Vul, zwischen den Werten, die man für normale Novae und Supernovae ermittelt. Obwohl bislang nur eine Handvoll dieser Ereignisse in unserer Milchstraße studiert werden konnten, ist es möglich, dass sie relativ häufig sind und ihre Umgebung nachhaltig beeinflussen. Weitere Studien mit empfindlichen Interferometern wie dem internationalen Atacama Large Submillimeter/Millimeter Array (ALMA) und dem vom Institut für Radioastronomie im Millimeterbereich (IRAM) betriebenen Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) werden Bilder der Molekülstrahlung solcher Quellen in großem Detail und entscheidende Hinweise auf ihre Natur liefern.

Am Anfang dieses neuen Kapitels der Molekülastronomie standen aber die Beobachtungen mit dem Atacama Pathfinder Experiment, und in der Tat ist APEX seiner Rolle als Pfadfinder zur Eröffnung neuer astronomischer Fragestellungen in vollem Maße gerecht geworden!

Literaturhinweis

1.
Kamiński, T.; Menten, K. M.; Tylenda, R.; Hajduk, M.; Patel, N. A.; Kraus, A.
Nuclear ashes and outflow in the eruptive star Nova Vul 1670
Nature 520, 322–324 (2015)
DOI
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