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Mittwoch, 26.09.2018
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Neutrinos als Triebkraft von Supernovae?

Supernova-Überrest bestätigt tragende Rolle der Elementarteilchen

"Geisterteilchen" als Explosions-Verursacher: Neutrinos könnten eine wichtige Rolle bei Supernova-Explosionen spielen. Denn sie übertragen enorme Energien aus dem kollabierenden Sternenkern auf die Gashülle und lösen so die Explosion aus. Belege für die Beteiligung der masselosen "Geisterteilchen" haben Astronomen nun im Supernova-Überrest Cassiopeia A entdeckt. Bei ihm entsprechen Tempo, Zusammensetzung und Verteilung der Atome genau den Modellen für Neutrino-getriebene Supernovae.
Das Supernova-Relikt Cassiopeia A liefert Indizien dafür, dass Neutrinos die treibende Kraft hinter solchen Sternenexplosionen sind.

Das Supernova-Relikt Cassiopeia A liefert Indizien dafür, dass Neutrinos die treibende Kraft hinter solchen Sternenexplosionen sind.

Massereiche Sterne explodieren am Ende ihres Lebens in einer Supernova: Ihr Kern kollabiert unter dem Einfluss seiner eigenen Schwerkraft und setzt dabei enorme Energiemengen frei. Sie schleudern die äußeren Hüllen des Sterns in All und bilden so die glühenden Gase der Supernova-Überreste. Der verdichtete Sternenkern wird dagegen zu einem Neutronenstern – in seinem Inneren sind Druck und Temperatur so hoch, dass Protonen und Elektronen der Atome zu Neutronen verschmelzen.

Neutrinos als Energie-Überträger?


Doch wie genau die Energieübertragung bei einer Supernova funktioniert, darüber rätseln Astronomen schon seit mehr als 50 Jahren. Einer Hypothese nach spielen dabei Neutrinos eine Hauptrolle – masselose Elementarteilchen, die extrem schnell durch das All rasen, aber kaum mit Materie interagieren. Sie entstehen durch Teilchenzerfälle im Inneren der Sonne und anderer Sterne, aber auch beim radioaktivem Zerfall und an Schwarzen Löchern.

Dem Modell nach rasen die Neutrinos bei einer Supernova aus dem implodierenden Kern nach außen. Ein Teil der Neutrinos wird von der Sternenhülle absorbiert und heizt das Gas auf. Ähnlich wie ein Topf mit kochendem Wasser beginnt dieses zu brodeln. Wird das Brodeln zu heftig, kommt es zur Supernova-Explosion – analog zum Deckel, der vom Topf weggesprengt wird.


Computermodell des bei einer Supernova ausgeschleuderten Nickel-Isotpos 56: Es ist asymmetrscih verteilt.

Computermodell des bei einer Supernova ausgeschleuderten Nickel-Isotpos 56: Es ist asymmetrscih verteilt.

Brodelnde Gase


Das Problem: Neutrinos lassen sich nur schwer nachweisen und schon gar nicht direkt beobachten. Aber den Modellen nach müssten sie sich indirekt verraten – durch den Effekt, den sie auf den Ablauf der Supernova haben. Denn weil das von Neutrinos geheizte Gas heftig brodelt, beginnt die Explosion asymmetrisch. Auf einer Seite wird mehr Materie ausgeschleudert und damit auch mehr schwere Elemente wie Titan und Nickel. Der Neutronenstern dagegen bekommt eine Art Rückstoß und wird ein Stück in die entgegengesetzte Richtung geschleudert.

Jetzt ist es Astronomen um Annop Wongwathanarat vom japanischen RIKEN-Forschungszentrum erstmals gelungen, diesen Effekt und damit indirekt die Beteiligung der "Geisterteilchen" bei einer Supernova nachzuweisen. Dafür analysierten sie die Verteilung von Atomkernen im Supernova-Relikt von Cassiopeia A, dem Überrest einer rund 11.000 Lichtjahre entfernten Sternenexplosion.

Beobachtung bestätigt Modell


Die Beobachtungen enthüllten: Der Neutronenstern von Cassiopeia A rast mit rund 350 Kilometern pro Sekunde nach Süden, der größte Teil der schweren radioaktiven Isotope von Titan und Nickel aber bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung. Dies entspricht ziemlich genau dem, was numerische Modelle für eine von Neutrinos angetriebene Sternexplosion vorhersagen, wie die Astronomen erklären.


Beobachtbare Verteilung von radioaktivem Nickel (56Ni, grün) und Titan (44Ti, blau)

Beobachtbare Verteilung von radioaktivem Nickel (56Ni, grün) und Titan (44Ti, blau)

Aber nicht nur die räumliche Verteilung passt, auch die Mengen und Geschwindigkeiten der ausgeschleuderten Atome stimmen gut mit den Modellen überein. "Dies belegt auf beeindruckende Weise, dass Cas A der gasförmige Überrest einer Neutrino-getriebenen Supernova sein könnte", sagt Koautor Hans-Thomas Janka vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching.

Ob diese Ergebnisse auch auf andere Supernovae übertragbar sind, müssen nun weitere Beobachtungen zeigen. Die Astronomen haben sich dazu bereits einer größeren Kollaboration angeschlossen, die die theoretischen Vorhersagen nun mit einer größeren Zahl von Supernova-Überresten vergleichen will. (The Astrophysical Journal, 2017; doi: 10.3847/1538-4357/aa72de)
(Max-Planck-Institut für Astrophysik, 22.06.2017 - NPO)
 
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