Früherkennung von Supernovae durch SNEWS

Durch das Supernovae Early Warning System SNEWS, ein neues System zur Registrierung von Supernovae, werden Astronomen in die Lage versetzt, die gewaltige Explosion einer Supernova zu erkennen, noch bevor sie sichtbar wird.

Ein Beitrag von Matthias Müller. Quelle: SpaceRef.

SNEWS könnte es Astronomen erlauben, Beobachtungen über den ganz frühen Beginn einer Supernova zu machen, wie es bisher noch nicht möglich gewesen ist”, schreibt der Autor eines Artikels über das neue System in der Septemberausgabe des New Journal of Physics. “Noch nie wurde eine Nova unmittelbar nach ihrer Geburt untersucht”.

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Eine vergrößerte Darstellung einer Supernova (Bild: SpaceRef)

Massereiche Sterne beenden ihr Leben nach einem Gravitationskollaps mit einer gewaltigen Explosion, bei der jedoch das entstehende enorm helle Blitzlicht innerhalb der Region gefangen bleibt. Somit ist die Strahlung für Astronomen nicht sichtbar, da sie die ersten Stunden oder Tage innerhalb der Nova bleibt.

Gücklicherweise senden diese Supernovas große Mengen subatomarer Partikel aus, so genannten Neutrinos, die Materie problemlos durchdringen und so mit Lichtgeschwindigkeit ins All entweichen und auf der Erde schließlich entdeckt werden können. Solche längst bekannten Neutrinoausbrüche sind die beste Möglichkeit, Supernovaexplosionen rechtzeitig zu erkennen und sie genauer untersuchen zu können.

Diese Ausbrüche zu erkennen ist nun die Aufgabe von SNEWS. Als ein internationaler Zusammenschluss von Einrichtungen zur Registrierung von Neutrinos, wie z.B. das Super-Kamiokande in Japan, ist es das oberste Ziel von SNEWS, die astronomische Community über eine galaktische Supernova sofort zu alarmieren. Das System verbindet eine zentrale Computerworkstation im Brookhaven National Laboratory in New York mit anderen Neutrinoobservatorien weltweit. Das Netzwerk vergleicht die Daten eines Neutrinoausbruchs und erhöht somit die Sicherheit, dass es sich tatsächlich um von einer Supernova stammende Signale handelt. Denn Neutrinos werden auch in weitaus geringeren Mengen von allen Sternen emittiert und in kosmischer Strahlung, die auf die Erdatmoshäre trifft, registriert. Oder sie werden künstlich in Nuklearanlagen oder Teilchenbeschleunigern erzeugt. Die Erde wird täglich von Neutrinos regelrecht überschwemmt.

Die Idee, die hinter SNEWS steckt, ist die, das Neutrinodetektoren, die nach einer Typ II – Supernova Ausschau halten, zur gleichen Zeit auf Signale anschlagen. Es ist aufgrund ihrer hohen Fehlerrate nicht möglich, nur einen Detektor zu benutzen.

Nur solare Neutrinos (und auch solche, die von einem bestimmten Typ eines Teilchenbeschleuniger emittiert werden) weisen Energielevels auf, die die einer Supernova überlappen können.

Neben dem Super-Kamiokande-Detektor in Japan sind noch das Sudbury Neutrino Observatorium in Kanada und der Large volume Detector in Italien Teil der SNEWS Working Group, außerdem noch acht weitere bereits bestehende oder geplante Einrichtungen.
Das neue Netzwerk registrierte bis jetzt noch keine Supernova. “Wir wissen nicht wann : morgen, nächsten Monat, nächstes Jahr oder erst in Jahrzehnten”, sagt der Astrophysiker John Bahcall vom Institute of Advanced Studies in Princeton, New Jersey.

Diese Ereignisse geschehen nicht mehr als ein paar Mal innerhalb eines Jahrhunderts. Das bedeutet, dass die Forscher schnell reagieren müssen, wenn eine Supernova passiert, um möglichst jedes Stückchen Information aufzuschnappen. Und dabei kann es Stunden oder Tage lang dauern, bevor das Licht der Nova sichtbar wird.

Eine Supernova bricht aus, wenn der Brennstoffvorrat eines Sterns von mindestens acht Sonnenmassen, also acht Mal so schwer wie unsere Sonne, erschöpft und der Stern “ausgebrannt” ist. Der Druck, der durch die nukleare Fusion im Innern entsteht, kann den gewaltigen Druck der Gravitation (aufgrund seiner Masse) nicht mehr ausgleichen und nicht verhindern, dass der Stern letztendlich implodiert und in sich zusammenstürzt, explodiert und einen superdichten, stadtgroßen Neutronenstern hinterlässt.

Unmittelbar nach dem Kollaps entsteht eine sichtbare Schockwelle, die sich von der Region des Kollaps ausgehend in alle Raumrichtungen ausbreitet. Diese könnte man entdecken, wäre es nicht die Natur von Photonen (also Lichtteilchen), mit Material zu interagieren, durch das die sich hindurchbewegen. In diesem Fall die extrem dichten Überbleibsel der Supernova, deren Durchquerung mehrere Tage dauern kann. Aus diesem Grund wird die Nova erst viel später sichtbar, die Schockwelle kann das Material nicht sofort verlassen.

Fast die gesamte emittierte Energie des sterbenden Sterns besteht eigentlich aus Neutrinos, die wie verrückt aus der Nova herrausschießen. In einer Phase des Vorgangs, die jedoch lediglich um die zehn Sekunden andauert, ist alles so dicht, dass selbst die Neutrinos nicht herauskommen können. Danach sind die Neutrinos frei und bewegen sich von der Nova fort.

“SNEWS wird für die Astronomie und die Physik von unschätzbarem Wert sein”, sagt Bahcall. “Die Astronomen werden sich auf ihre Teleskope stürzen, um die Explosion in ihren frühesten Stadien zu beobachten. Und Physiker auf der ganzen Welt werden die genauen Details des Neutrinoausbruchs untersuchen können. Das sollte zu zahlreichen neuen und einzigartigen Resultaten und Erkenntnissen über die physikalischen Eigenschaften von Neutrinos führen. Und wir werden eine Menge über das Innere einer stellaren Explosion lernen, die wir anders gar nicht studieren könnten.”

Die letzte Supernova nahe der Milchstraße wurde im Jahr 1987 beobachtet, als ein superheller Lichtblitz an der Stelle eines blauen Riesensterns (Sanduleak-69 202) in der Großen Maggelanischen Wolke ausbrach. Deren frühe Beobachtung durch vier verschiedene Neutrinodetektoren war die Geburtsstunde der Supernova Neutrino Astophysik.

Die Neutrinos übertragen Informationen die Wissenschaftler helfen, Theorien über den Gravitationskollaps zu überprüfen und zusätzlich Limits für diverse Eigenschaften der subatomaren Partikel zu bestimmen, z.B. für deren Masse.

Seit der ersten experimentellen Untersuchung der ersten bekannten drei Neutrinotypen wurde vermutet, sie seien komplett masselos. Die Entdeckung, dass die Teilchen doch eine Masse besitzen, resultiert zum Teil aus Studien von Neutrinos in kosmischer Strahlung durch den Super-Kamiokande-Detector.
Die Organisatoren von SNEWS bieten auch eine Möglichkeit für die weltweite Community von Amateurastronomen, sich im Falle einer Supernova informieren zu lassen.

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