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Samstag, 25.03.2017
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Cassiopeia A: Echos aus der Vergangenheit aufgefangen

Lichtechos liefern neue Erkenntnisse über die Explosion eines massiven Sterns vor 11.000 Jahren

Vor mehr als 11.000 Jahren explodierte ein massiver Stern in unserer Galaxie. Dieses Ereignis, das wir heute unter dem Namen „Supernova Cassiopeia A“ kennen, hätte von der Erde aus um das Jahr 1680 zu beobachten sein müssen. Anscheinend hat aber beinahe die ganze Welt dieses Schauspiel verpasst. Nun berichtet ein internationales Forscherteam in der Wissenschaftszeitschrift „Science“ über eine beeindruckende wissenschaftsarchäologische Leistung: Die Astronomen nutzten den interstellaren Staub als eine Art „Rückspiegel“, der es ihnen ermöglichte, Nachrichten aus der Vergangenheit zu empfangen.
Region des Emissionsnebels Cassiopeia A

Region des Emissionsnebels Cassiopeia A

Ein Teil des bei jener vergangenen Explosion ausgesandten Lichts ist von Staubwolken in gewisser Entfernung von dem sterbenden Stern reflektiert worden. Die Wissenschaftler haben diese Lichtspiegelungen erfasst und analysiert. Auf diese Weise wird die moderne Astronomie Zeuge des so genannten kataklystischen Ereignisses, das unseren Vorfahren im 17. Jahrhundert aus irgendeinem Grund entgangen ist.

Supernovae in unserer Galaxie


Mit dem Begriff Supernova werden eine Anzahl verschiedenartiger Prozesse zusammengefasst, die zur Zerstörung eines Sterns in einer kataklystischen Explosion führen. Diese Phänomene gehören zu den gewaltigsten Energieausbrüchen des Universums: Der Lichtblitz einer gewöhnlichen Supernova kann für kurze Zeit sogar die Leuchtkraft einer ganze Galaxie annehmen.

Galaktische Supernovae (also Sternexplosionen innerhalb unserer Galaxie) bieten eines der großartigsten astronomischen Schauspiele überhaupt, die sich von unserem Planeten aus beobachten lassen. In China wurden derartige Lichtblitze schon vor mehr als zweitausend Jahren beobachtet und dokumentiert. Das vielleicht berühmteste Beispiel ist die im Jahr 1054 beobachtete Supernova im Sternbild Stier, die sicherlich in vielen Kulturkreisen unserer Erde zur Kenntnis genommen wurde, über die aber nur in den fernöstlichen Zivilisationen präzise Aufzeichnungen existieren.


Krebsnebel als Überrest der Supernova


Als Überrest dieser Supernova ist heute der Krebsnebel M1 zu sehen. In jüngerer Zeit entdeckte Supernovae sind die 1572 im Sternbild Kassiopeia (Tychos Supernova) und 1604 im Sternbild Schlangenträger (Keplers Supernova) erschienenen „neuen Sterne“. In beiden Fällen wurden extrem helle, über mehrere Wochen sichtbare Lichtpunkte an Orten des Himmels beobachtet, an denen zuvor keine Himmelskörper bekannt gewesen waren.

Bei dem unter dem Namen „Cassiopeia A“ (oder auch 3C 461) bekannten Himmelsobjekt handelt es sich um die in den 1940er Jahren entdeckte erste Quelle von Radiowellen im Sternbild Kassiopeia. Das Objekt wurde rasch als Supernova-Überrest erkannt, stammt also aus einer jener gigantischen Sternexplosionen. Diese Erkenntnis erstaunte die astronomische Gemeinde, weil die Expansionsgeschwindigkeit der Gase im Nebel Cassiopeia A erkennen lässt, dass die Explosion ganz jungen Ursprungs sein muss, der Ausbruch damals (um 1680) aber offenbar nicht beobachtet worden war.

Nachdem die Gasbewegung Aufschluss über den ungefähren Zeitpunkt der Explosion von Cassiopeia A geliefert hatte, begann man, in den Beobachtungsaufzeichnungen des 17. Jahrhunderts nachzuforschen, und fand schließlich auch den Hinweis auf eine mögliche Beobachtung durch den englischen Astronomen John Flamsteed. Die Identifikation ist nicht ganz sicher, würde aber, wenn sie zutreffen würde, bedeuten, dass sich die Supernova Cassiopeia A am Erdhimmel nur sehr schwach gezeigt hat.

Vom Staub verdeckt


Aus der Beobachtung anderer Galaxien wissen wir, dass sich in einer normalen Spiralgalaxie wie der unseren im Durchschnitt ungefähr alle 50 Jahre eine Supernova-Explosion ereignen müsste. Bis vor kurzem erschien die Seltenheit, ja das völlige Ausbleiben von hellen, jungen Supernovae in unserer Galaxie rätselhaft. Dann fand man heraus, dass galaktische Supernovae durchaus mit der erwarteten Häufigkeit stattfinden, dass sich aber viele von ihnen an Orten abspielen, die verborgen hinter dicken Schichten interstellaren Staubs (so genannten Dunkelwolken) liegen, was ihre scheinbare Helligkeit vermindert oder sogar dazu führt, dass die Ereignisse von der Erde aus gänzlich unsichtbar bleiben.

Heute weiß man, dass dies auch für die beiden jüngsten bekannten Supernovae zutrifft: Die Explosion der Supernova G1.9+0.3 wäre um das Jahr 1870 von unserem Planeten aus zu beobachten gewesen, wenn ihr optisches Licht nicht vollständig von interstellaren Staubwolken absorbiert worden wäre. Die zweitjüngste Supernova (nämlich Cassiopeia A) leuchtete im Jahre 1680 am Erdhimmel auf, wurde aber ebenfalls vom kosmischen Staub verdunkelt. Immerhin könnte sie doch noch hell genug gewesen sein, damit Flamsteed einen Blick erhaschen konnte.

Doch die Pfade der Wissenschaft nehmen nicht selten überraschende Wendungen. Ein Forscherteam hat nun einen Weg gefunden, einen Teil des Lichts, das die Erde vor mehr als drei Jahrhunderten nicht erreicht hat, wieder sichtbar zu machen. Auf diese Weise konnten Typ und Entstehungsmechanismus der Supernova Cassiopeia A geklärt werden. Der Schlüssel liegt bei einem Phänomen, das man als Lichtecho bezeichnet.

Licht-Echos


Stellen wir uns die Supernova-Explosion von Cassiopeia A vor 11.000 Jahren in einer Region unserer Galaxie vor, die dicht mit interstellaren Staubpartikeln durchsetzt ist. Etwa 300 Jahre nach der Explosion lässt ein Teil des von der Supernova ausgesandten Lichts ein Staubklümpchen aufleuchten. Dieses kosmische Körnchen reflektiert einen Teil der Strahlung des Ausbruchs in Erdrichtung, allerdings beginnt dieser Lichtreflex seinen Weg zu unserem Planeten mit einer Verspätung von 300 Jahren. 11.000 Jahre nach der Explosion erreicht das Gros des von der Supernova ausgesandten Lichts die Erde, bedingt durch die Absorbtion im staubigen interstellaren Medium aber so stark gedämpft, dass das Ereignis fast unbemerkt bleibt und wissenschaftlich nicht untersucht wird.

Schließlich gelangt wiederum 300 Jahre später jener geringe Lichtanteil zur Erde, der von dem kleinen, unscheinbaren Staubkörnchen reflektiert worden ist. Diese drei Jahrhunderte haben jedoch ausgereicht, um Beobachtungsstationen wie die Sternwarte auf dem Calar Alto, das japanische Subaru-Teleskop oder das Spitzer-Weltraumteleskop zu entwickeln. Und ein internationales Team aus Wissenschaftlern unter der Leitung von Oliver Krause (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg) steht bereit und ist in der Lage, diese Einrichtungen zu nutzen, um die Supernova nicht aufgrund ihrer direkten Strahlung, sondern auf dem Umweg über die reflektierte Strahlung wie in einem Rückspiegel aus Staub zu betrachten und zu erforschen.

Der Lichtecho-Effekt ermöglicht es also, etwas heute genauer zu untersuchen, was sich vor 300 Jahren ereignet hat. Damit verfügen wir über eine Art Videoband, auf dem sich eine Aufzeichnung der Supernova-Explosion anschauen lässt, die zur Entstehung des wohl spektakulärsten Supernova-Überrests führte, der überhaupt an unserem Firmament erkennbar ist: Ein kosmisches Ereignis, das seinerzeit womöglich von Flamsteed als schwacher, heute nicht mehr existierender Stern am Nachthimmel wahrgenommen wurde – zu einer Zeit, als das Teleskop gerade erst erfunden war.

So stehen wir einem erstaunlichen Paradoxon gegenüber: Der interstellare Staub, Hauptgrund für die Unmöglichkeit einer Beobachtung dieser Sternexplosion im 17. Jahrhundert, wird zum Werkzeug, das es uns heute ermöglicht, das verloren gegangene Licht mehrere Jahrhunderte später in Teilen wiederzugewinnen, nachdem die Menschheit in der Zwischenzeit wesentlich mächtigere Teleskope, Instrumente und Theorien entwickeln konnte, die uns ein viel besseres Verständnis dieses Ereignisses erlauben.

Die Forschung


„Cassiopeia A liegt in unserem kosmischen Hinterhof und bietet ein hervorragend scharfes Bild von dem, was Hunderte von Jahren nach einer Supernova-Explosion übrig bleibt“, bemerkt Oliver Krause und fügt hinzu: „Die Lichtechos, die wir in der Umgebung von Cassiopeia A gefunden haben, liefern uns eine Zeitmaschine, mit deren Hilfe wir uns die Vergangenheit des Objektes anschauen können.“ Ein anderes Mitglied der Forschungsgruppe, der Astronom Tomonori Usuda, meint begeistert: „Dieses Ergebnis ist wirklich aufregend, weil das Teleskop wie eine Zeitmaschine funktioniert.“

Die Analyse der Lichtechos offenbart die Handschrift der Atome, die bei der Explosion von Cassiopeia A zugegen waren. Das resultierende Lichtspektrum verrät Wasserstoff und Helium, was darauf hindeutet, dass Cassiopeia A einst ein Roter Überriese war, dessen Kern kollabiert und in einem seltenen Supernovatyp auseinander gerissen ist, der als „SN IIb“ bezeichnet wird. Bis heute war unklar, zu welchem Supernovatyp Cassiopeia A gehörte.

Dieses Ergebnis hilft auch bei der Erklärung der Tatsache, warum der Ausbruch 1680 unbemerkt blieb. Neben dem Absorbtionseffekt des interstellaren Staubs können nun auch die spezifischen Eigenheiten dieser Art von Sternexplosionen in die Überlegung einbezogen werden: „Supernovae vom Typ IIb schwächen sich sehr schnell ab“, erläutert George Rieke (University of Arizona, Tucson, USA), Mitverfasser der Studie. „Diese Tatsache, möglicherweise verbunden mit ein paar wolkenverhangenen Nächten, könnte das historische Rätsel erklären, das Cassiopeia A umgibt“, erklärt Rieke in Bezug auf die Frage, warum nicht mehr Augenzeugen von dem Ereignis berichtet haben.

Calar-Alto-Observatorium an Entdeckungen beteiligt


Ein Teil der Beobachtungen, die zu dieser Entdeckung geführt haben, sind im Oktober 2007 im Calar-Alto-Observatorium mit dem 2,2-m-Teleskop durchgeführt worden. Andere Schlüsselbeobachtungen wurden auf Hawaii mit dem bodengestützten Teleskop Subaru und aus dem Weltraum mit dem die Erde umkreisenden Spitzer-Infrarotteleskop gemacht. Aber wie bei jedem wissenschaftlichen Unterfangen bildet all diese Arbeit erst den Anfang.

Krause kündigt die Fortsetzung bereits an: „Wir sind schon voller Vorfreude auf künftige Forschungsergebnisse, die mithilfe der Lichtecho-Methode gewonnen werden können. Neben vertiefenden Studien zur historischen Supernova Cassiopeia A auf der Basis neuer Beobachtungen mit den Teleskopen vom Calar Alto und Subaru in diesem Sommer denken wir in Bezug auf das interstellare Medium schon über einen ganzen Katalog von Fragen nach, die sich dank der einzigartigen Möglichkeiten, die uns die Natur in Cassiopeia A beschert, mit dem Lichtecho-Experiment angehen lassen.“
(Calar Alto Observatory-CAHA, 30.05.2008 - DLO)
 
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