Im Februar 1946 verpasst der Amateurastronom Leslie Peltier die Gelegenheit seines Lebens: Im Sternbild Nördliche Krone ereignet sich ein regelmäßiges, aber seltenes astronomisches Ereignis, auf das er bereits Jahrzehnte gewartet hatte: Es erscheint für wenige Stunden ein neuer Stern – ein Lichtpunkt, der mit bloßem Auge sichtbar ist und der vorher nicht da zu sein schien.

Franzi erzählt in dieser Folge vom Phänomen solcher Stellae Novae, kurz Novae. Anders als der Name vermuten lässt, handelt es sich aber gar nicht um neue Sterne, sondern lediglich um das kurzzeitige Aufleuchten eines alten Weißen Zwergs in einer gewaltigen Wasserstoffexplosion. Obwohl Astronominnen und Astronomen den Prozess heute grob verstanden haben, sind noch viele Fragen um die Nova offen. Da passt es ganz gut, dass derzeit der fragliche Stern im Sternbild Nördliche Krone kurz vor dem nächsten Ausbruch steht.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• AstroGeo Podcast
• Novae

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Quelle: FAU 11. Mai 2022.

11. Mai 2022 – „Dabei kam uns auch der Zufall zu Hilfe“, erklärt Ole König vom Astronomischen Institut der FAU in der Dr. Karl Remeis-Sternwarte Bamberg, der gemeinsam mit dem FAU-Astrophysiker Prof. Dr. Jörn Wilms und dem Forschungsteam bestehend aus dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, der Eberhard Karls Universität Tübingen, der Universitat Politécnica de Catalunya in Barcelona und dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam in der renommierten Fachzeitschrift Nature über die Beobachtung berichtet. „Solche Röntgenblitze lassen sich kaum vorhersagen, dauern nur wenige Stunden und das Beobachtungsinstrument muss in dieser Zeit auf den Ausbruch zielen“, schildert der Astrophysiker die Zusammenhänge.

Bei diesem Instrument handelt es sich um das eROSITA-Röntgen-Teleskop, das eineinhalb Millionen Kilometer von der Erde entfernt seit 2019 den Himmel nach weichen Röntgenstrahlen durchmustert. Dabei wurde am 7. Juli 2020 starke Röntgenstrahlung in einem Bereich des Himmels gemessen, der vier Stunden vorher noch völlig unauffällig gewesen war. Als das Röntgen-Teleskop vier Stunden später die gleiche Stelle am Himmel erneut musterte, war diese Strahlung wieder verschwunden. Weniger als acht Stunden hatte der Röntgenblitz also gedauert, der vorher das Zentrum des Detektors völlig überbelichtet hatte.

Solche Röntgen-Ausbrüche hatten theoretische Überlegungen bereits vor mehr als 30 Jahren vorgesagt. Sie waren bisher aber noch nie direkt beobachtet worden. Diese Feuerbälle aus Röntgenstrahlen entstehen auf der Oberfläche von Sternen, die eine ähnliche Größe wie unsere Sonne hatten, bevor sie ihre Brennstoffvorräte aus Wasserstoff und später aus Helium tief in ihrem Inneren weitgehend verbraucht hatten. Diese alten Sterne schrumpfen sehr stark zusammen, bis ein „Weißer Zwerg“ übrigbleibt, der ähnlich groß wie die Erde ist, aber eine Masse enthält, die ähnlich groß wie unsere Sonne sein kann. „Diese Verhältnisse kann man sich an einem Beispiel gut vorstellen“, erklärt Jörn Wilms: „Stellt man sich die Sonne in der Größe eines Apfels vor, hätte die Erde die Dimension eines Stecknadelkopfes, der in zehn Metern Entfernung um den Apfel kreist.“

Sterne in Form eines Edelsteins
Verkleinert man wiederum einen Apfel auf die Größe eines Stecknadelkopfes, behält dieses winzige Teilchen das vergleichsweise riesige Gewicht des Apfels. „Ein Teelöffel Materie aus dem Inneren eines Weißen Zwergs hat daher leicht die Masse eines Lastkraftwagens“, erklärt Jörn Wilms weiter. Weil diese ausgebrannten Sterne hauptsächlich aus Sauerstoff und Kohlenstoff bestehen, ähneln sie einem ebenfalls aus Kohlenstoff bestehenden riesigen Diamanten, der die Größe der Erde hat und im Weltraum schwebt. Diese Objekte in Form eines Edelsteins sind zwar immer noch heiß und leuchten daher weiß. Nur ist diese Strahlung schwach und lässt sich daher von der Erde aus gesehen kaum entdecken.

Es sei denn, der alte Stern wird von einem Stern begleitet, in dem das Sonnenfeuer noch brennt und von dem dann Material auf ihn übergehen kann. „Dieser Wasserstoff kann sich mit der Zeit zu einer nur wenige Meter dicken Schicht auf der Oberfläche der Sternenleiche sammeln“, erklärt FAU-Astrophysiker Jörn Wilms. In dieser Schicht aber erzeugt die riesige Schwerkraft einen gigantischen Druck, der so groß werden kann, dass dort das Sternenfeuer wieder zündet. In einer Kettenreaktion entsteht rasch eine riesige Explosion, in der die Wasserstoffschicht wieder abgesprengt wird. Die Röntgenstrahlung einer solchen Explosion hat dann am 7. Juli 2020 die Detektoren von eROSITA getroffen und überbelichtet.

„Mit Modellrechnungen, mit denen wir ursprünglich die Entwicklung des Röntgen-Instruments begleitet hatten, konnten wir dann in einer aufwändigen Arbeit das eigentlich überbelichtete Bild genauer analysieren und so erstmals einen Blick hinter die Kulissen einer solchen „Nova“ genannten Explosion eines Weißen Zwergs werfen“, schildert Jörn Wilms die weitere Forschung. Nach diesen Ergebnissen sollte der Weiße Zwerg ungefähr die Masse unserer Sonne haben und damit relativ groß sein. Bei der Explosion entstand ein 327.000 Grad heißer Feuerball, der damit rund sechzigmal wärmer als unsere Sonne war.

Weil bei solchen Novae der Energie-Nachschub fehlt, kühlen sie rasch aus, und die Röntgenstrahlung wird weicher, bis sie schließlich zu sichtbarem Licht wird, das einen halben Tag nach der eROSITA-Entdeckung auch die Erde erreichte und mit optischen Teleskopen beobachtet wurde. „Es tauchte dann ein scheinbar heller Stern auf, der sogar mit dem Auge sichtbar war“, erklärt Ole König. Solche scheinbaren „neuen Sterne“ wurden auch früher schon beobachtet und wegen ihres unverhofften Auftauchens „Nova Stella“ genannt, was „neuer Stern“ bedeutet. Weil diese Nova aber erst nach dem Röntgenblitz sichtbar wird, ist eine Vorhersage für solche Ausbrüche sehr schwierig, die daher eher zufällig die Röntgen-Detektoren treffen. „Da hatten wir wirklich Glück“, freut sich Ole König.

Originalpublikation
Ole König, Jörn Wilms, Riccardo Arcodia, Thomas Dauser, Konrad Dennerl, Victor Doroshenko, Frank Haberl, Steven Hämmerich, Christian Kirsch, Ingo Kreykenbohm, Maximilian Lorenz, Adam Malyali, Andrea Merloni, Arne Rau, Thomas Rauch, Gloria Sala, Axel Schwope, Valery Suleimanov, Philipp Weber & Klaus Werner: X-ray detection of a nova in the fireball phase
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04635-y

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• Weisse Zwerge

Der Beitrag Explosion auf einem Weißen Zwerg direkt beobachtet erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESO.

20. April 2022. „Wir haben erstmalig ein Phänomen entdeckt und identifiziert, das wir als Mikronova bezeichnen“, erklärt Simone Scaringi, Astronom an der Durham University in Großbritannien, der die heute in Nature veröffentlichte Studie über diese Explosionen geleitet hat. „Dieses Ereignis stellt unser Verständnis davon in Frage, wie thermonukleare Explosionen in Sternen ablaufen. Bisher dachten wir, wir wüssten das, aber diese Entdeckung zeigt einen völlig neuen Mechanismus auf“, fügt er hinzu.

Mikronovae sind extrem starke Ereignisse, aber in astronomischen Maßstäben klein; sie sind viel weniger energiereich als die als Novae bekannten Sternexplosionen, die Astronomen seit Jahrhunderten kennen. Beide Arten von Explosionen ereignen sich auf Weißen Zwergen, toten Sternen mit einer Masse, die etwa der unserer Sonne entspricht, aber so klein wie die Erde sind.

Ein Weißer Zwerg in einem Doppelsternsystem kann seinem Begleitstern Material, vor allem Wasserstoff, entreißen, wenn sie nahe genug beieinander sind. Wenn dieses Gas auf die sehr heiße Oberfläche des Weißen Zwergsterns fällt, werden die Wasserstoffatome explosionsartig zu Helium fusioniert. Bei Novae finden diese thermonuklearen Explosionen auf der gesamten Sternoberfläche statt. „Solche Detonationen lassen die gesamte Oberfläche des Weißen Zwerges brennen und mehrere Wochen lang hell leuchten“, erklärt Mitautorin Nathalie Degenaar, Astronomin an der Universität von Amsterdam, Niederlande.

Mikronovae sind ähnliche Explosionen, die kleiner und schneller sind und nur einige Stunden dauern. Sie treten bei einigen Weißen Zwergen mit starken Magnetfeldern auf, die Material in Richtung der magnetischen Pole des Sterns schleudern. „Wir haben jetzt zum ersten Mal gesehen, dass die Wasserstofffusion auch lokal begrenzt stattfinden kann. An der Basis der Magnetpole einiger Weißer Zwerge kann der Wasserstoffbrennstoff festgehalten werden, so dass die Fusion nur an diesen Magnetpolen stattfindet“, sagt Paul Groot, Astronom an der Radboud Universität in den Niederlanden und Mitautor der Studie.

„Das führt dazu, dass Mikrofusionsbomben gezündet werden, die etwa ein Millionstel der Stärke einer Novaexplosion haben, daher der Name Mikronova“, so Groot weiter. Auch wenn der Begriff »mikro« vermuten lässt, dass es sich um kleine Ereignisse handelt, sollte man sich nicht täuschen: Ein einziger dieser Ausbrüche kann etwa 20 000 000 Billionen kg Material verbrennen, das entspricht etwa 3,5 Milliarden Cheops-Pyramiden von Gizeh.

( -> Wir verwenden Billionen für eine Million Millionen (1.000.000.000.000 oder 10¹²) und Milliarden für tausend Millionen (1.000.000.000 oder 10⁹). Das Gewicht der Cheops-Pyramide von Gizeh in Kairo, Ägypten beträgt etwa 5.900.000.000 kg).

Diese neuen Mikronovae fordern das Verständnis der Astronominnen und Astronomen über Sternexplosionen heraus und kommen möglicherweise häufiger vor als bisher angenommen. „Das zeigt, wie dynamisch das Universum ist. Diese Ereignisse können tatsächlich recht häufig vorkommen, aber weil sie so schnell sind, ist ihre Beobachtung schwierig“, erklärt Scaringi.

Das Team stieß zum ersten Mal auf diese mysteriösen Mikroexplosionen, als es die Daten des Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA analysierte. „Bei der Durchsicht der von NASA TESS gesammelten astronomischen Daten entdeckten wir etwas Ungewöhnliches: einen hellen optischen Lichtblitz, der einige Stunden anhielt. Bei der weiteren Suche fanden wir mehrere ähnliche Signale“, sagt Degenaar.

Das Team beobachtete mit TESS drei Mikronovae: zwei davon stammten von bekannten Weißen Zwergen, aber der dritte erforderte weitere Beobachtungen mit dem X-Shooter-Instrument am VLT der ESO, um seinen Status als Weißer Zwerg zu bestätigen.

„Mit Hilfe des Very Large Telescope der ESO konnten wir feststellen, dass alle diese optischen Blitze von Weißen Zwergen erzeugt wurden“, sagt Degenaar. „Diese Beobachtung war entscheidend für die Interpretation unserer Ergebnisse und für die Entdeckung der Mikronovae“, fügt Scaringi hinzu.

Die Entdeckung der Mikronovae erweitert das Repertoire der bekannten Sternexplosionen. Das Team möchte nun weitere dieser schwer zugänglichen Ereignisse erfassen, was groß angelegte Durchmusterungen und schnelle Folgemessungen erfordert. „Die schnelle Reaktion von Teleskopen wie dem VLT oder dem New Technology Telescope der ESO und die Vielzahl der verfügbaren Instrumente werden es uns ermöglichen, diese mysteriösen Mikronovae im Detail zu entschlüsseln“, so Scaringi abschließend.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Links

• Forschungsartikel (Nature)
• Folgeartikel (MNRAS)
• Fotos vom VLT

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• Weisse Zwerge

Der Beitrag Astronomen entdecken Mikronovae, eine neue Art von Sternexplosion erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: TU Dortmund.

19. April 2022 – Es handelt sich dabei um die erste Nova, bei der solch energiereiche Strahlungen nachgewiesen wurden. Das Ereignis könnte neue Erkenntnisse über diese Art von Explosionen und die mögliche Rolle liefern, die sie bei der Erzeugung der mysteriösen hochenergetischen kosmischen Strahlung spielen, die unsere Milchstraße durchdringt. Die Ergebnisse der Forscher*innen wurden jüngst in der renommierten Fachzeitschrift Nature Astronomy publiziert.

Wenn ein Stern stirbt, dehnt er sich zunächst zu einem Roten Riesenstern aus und kollabiert dann zu einer Sternenleiche, einem Weißen Zwerg. Dieser besteht aus einem sehr dichten Material: ein Teelöffel davon würde etwa eine Tonne wiegen. Unter bestimmten Umständen können diese Sternleichen noch einmal gigantische Explosionen hervorrufen: Wenn der Weiße Zwerg einen Begleiter hat, der seinerseits in die Phase des Roten Riesen übergeht, kann der Wasserstoff aus den ausgedehnten äußeren Schichten des Riesen der enormen Anziehungskraft des dichten Zwergs erliegen und sich auf dessen Oberfläche ansammeln. Der „tote“ Stern entzieht dem aktiven Stern also Gas und wird deshalb auch „Vampirstern“ genannt. Vereinzelt kann es in solchen Systemen sogar zu Kernexplosionen auf der Oberfläche kommen, die einen Großteil des Wasserstoffs und der Fusionsprodukte ins All schleudern. Da die Explosion extrem hell ist, wird der Vorgang auch „stella nova“ (neuer Stern, kurz „Nova“) genannt. In manchen Fällen wiederholt sich der Gastransfer und damit auch der Nova-Ausbruch. Das wird als wiederkehrende Nova bezeichnet.

Extrem energiereiche Gammastrahlen
Eine dieser wiederkehrenden Novae ist das Objekt RS Ophiuchi in unserer Milchstraße, für das die nächste Explosion im vergangenen Jahr erwartet worden war. Am 8. August 2021 konnten Teleskope dann tatsächlich das Licht der Explosion entdecken. Einen Tag später richteten Astronom*innen der MAGIC-Kollaboration, einem internationalen Zusammenschluss von rund 160 Wissenschaftler*innen, ihre Teleskope auf die laufende Eruption aus. Bei den Teleskopen handelt es sich um ein System aus zwei bildgebenden Luft-Tscherenkov-Teleskopen mit 17 m Durchmesser. Dank der guten Beobachtungsbedingungen auf La Palma und der einzigartigen Empfindlichkeit des MAGIC-Systems konnten bei der Nova extrem energiereiche Gammastrahlen nachgewiesen werden, die auf Beschleunigungen von Protonen zurückgeführt werden konnten. „Die Beobachtung von Himmelsobjekten bei derartig großen Energien öffnet einzigartige Fenster ins extreme Universum. Wir können so die Prozesse, bei denen im Universum Teilchen auf Energien beschleunigt werden, die deutlich größer sind als in irdischen Experimenten, im Detail studieren“, erklärt Dr. Dominik Elsässer von der Fakultät Physik und Mitglied im Lenkungsausschuss der MAGIC-Kollaboration.

Novaausbrüche sind für sich genommen weniger energiereich als ihre Schwestern – Supernovae, bei denen ein ganzer Stern in einer Explosion zerrissen wird – kommen aber viel häufiger vor. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Großteil der hochenergetischen kosmischen Strahlung, die die Milchstraße durchdringt, zwar wahrscheinlich aus anderen Quellen stammt, dass aber Novae anscheinend überraschend effizient lokale Regionen mit einer Überdichte an kosmischer Strahlung in ihrer Nachbarschaft erzeugen. Um solche explosiven Ereignisse vollständig zu verstehen, sind weitere Beobachtungen erforderlich. Die Arbeitsgruppen an der TU Dortmund beteiligen sich daran insbesondere mit Detektorsimulationen sowie der Entwicklung von intelligenter Analysesoftware. Seit Januar 2022 widmen sich außerdem Forschende der TU Dortmund, der Ruhr-Uni Bochum und der Universität Wuppertal im Sonderforschungsbereich (SFB) 1491 dem Verständnis der Vorgänge bei der kosmischen Wechselwirkung von verschiedenen Materieformen. „Erst das interdisziplinäre Zusammenspiel aus Teilchenphysik, Astrophysik, Plasmaphysik und Datenwissenschaften macht fundamentale Durchbrüche möglich“, sagt Prof. Wolfgang Rhode, Professor für Astroteilchenphysik an der TU Dortmund und Co-Sprecher des SFB 1491.

Originalpublikation:
Proton acceleration in thermonuclear nova explosions revealed by gamma rays
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01640-z
DOI: 10.1038/s41550-022-01640-z

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

Der Beitrag Heftige Explosion auf „Vampirstern“ erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Physik.

14. April 2022 – Licht an, Licht aus – so könnte man das Verhalten der Nova beschreiben, die auf den Namen RS Ophiuchi (RS Oph) hört. Alle etwa 15 Jahre kommt es im Sternbild des Schlangenträgers zu einer dramatischen Explosion. Geburtsort einer Nova sind Systeme, in denen zwei sehr unterschiedliche Sterne in einer parasitären Paarbeziehung leben: Ein weißer Zwerg, ein kleiner, ausgebrannter und ungeheuer dichter Stern – ein Teelöffel seiner Materie wiegt ungefähr 1 Tonne – umkreist einen roten Riesen, einen alten Stern, der bald verglühen wird.

Der sterbende Riesenstern füttert den Weißen Zwerg mit Materie: Er stößt seine äußere Wasserstoffschicht ab, das Gas strömt auf den nahen Weißen Zwerg. Dieser Materiefluss hält an, bis der Winzling sich „überfrisst“ und zu heiß wird. Die Temperatur und der Druck in den neu gewonnen Sternhüllen sind dann so groß, dass sie in einer gigantischen thermonuklearen Explosion weggeschleudert werden. Der Zwergstern bleibt dabei erhalten und der Kreislauf beginnt von Neuem – bis sich das Spektakel wiederholt.

Explosion im hohen Energiebereich
Dass bei solchen Explosionen hohe Energien im Spiel sind, war vermutet worden. Die beiden MAGIC-Teleskope zeichneten Gammastrahlen mit dem Wert von 250 Gigaelektronenvolt (GeV) auf, mit die höchsten Energien, die je bei einer Nova gemessen wurden. Zum Vergleich: Die Strahlung ist hundert Milliarden Mal energiereicher als das sichtbare Licht.

MAGIC beobachtete die Nova nach Meldungen von Instrumenten, die auf andere Wellenlängen spezialisiert sind. „Der dramatische Ausbruch der Nova RS-Oph zeigt, dass sich die kurze Reaktionszeit der MAGIC-Teleskope auszahlt: Sie brauchen höchstens 30 Sekunden, um sich auf ein neues Ziel auszurichten“, sagt David Green, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik und einer der Autoren der Beitrags.

Nach der Explosion breiteten sich mehrere Stoßfronten im Sternwind des Roten Riesen und im interstellaren Medium aus, welches das Doppelstern-System umgibt. Diese Schockwellen sind ein natürlicher Teilchenbeschleuniger, also ein riesiges Kraftwerk, das Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit bringt. Die kombinierten Messdaten legen nahe, dass die Gammastrahlen von energiereichen Protonen, Kernen von Wasserstoffatomen, ausgehen.

Beschleunigte Protonen Teil der kosmischen Strahlung
„Damit kommen Nova-Ausbrüche auch als Quelle für die kosmische Strahlung in Frage“, erklärt David Green. „Allerdings spielen sie dabei eher die Rolle von Lokalmatadoren. Das heißt, sie tragen nur in ihrer unmittelbaren Umgebung zur kosmischen Strahlung bei. Die Hauptakteure der kosmischen Strahlung sind Supernova-Überreste. Die Schockwellen, die von dieser Art Sternexplosion ausgehen, sind bedeutend heftiger als bei einer Nova.“

Um das komplizierte Zusammenspiel von energiereichen Himmelsereignissen und dem interstellaren Medium in der Milchstraße vollständig zu verstehen, brauchen wir weitere Beobachtungen wie die aktuell veröffentlichten. Die MAGIC-Kollaboration wird daher auch in Zukunft Ausschau nach „unruhigen“ Objekten in unserer Galaxie – und darüber hinaus – halten.

Publikation
Proton acceleration in thermonuclear nova explosions revealed by gamma rays
The MAGIC Collaboration
Nature Astronomy
DOI: 10.1038/s41550-022-01640-z
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01640-z

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Quelle: DESY.

10. März 2022 – Mit Spezialteleskopen haben Forscherinnen und Forscher so detailliert in einen kosmischen Teilchenbeschleuniger geblickt wie nie zuvor. Die Beobachtungen mit dem Gammastrahlen-Observatorium H.E.S.S. in Namibia zeigen erstmals den zeitlichen Ablauf des Beschleunigungsprozesses in einer sogenannten Nova. Dabei handelt es sich um starke Eruptionen auf der Oberfläche eines Weißen Zwergsterns. Dabei entsteht eine Schockwelle, die sich durch das Umgebungsmedium pflügt, subatomare Teilchen mitreißt und diese auf extreme Energien beschleunigt. Erstaunlicherweise scheint die beobachtete Nova RS Ophiuchi aufgrund idealer Voraussetzungen Teilchenbeschleunigung am theoretischen Limit zu bewerkstelligen, wie das Team im Fachblatt „Science“ berichtet.

Weiße Zwerge sind ausgebrannte, alte Sterne, die in sich zusammengefallen sind und sehr kompakte Objekte bilden. Novae entstehen zum Beispiel, wenn ein Weißer Zwerg mit einem großen Stern in einem Doppelsystem kreist und aufgrund seiner Gravitation Materie von seinem massiven Begleiter aufsammelt. Überschreitet die aufgesammelte Masse eine kritische Grenze, kommt es zu einer thermonuklearen Explosion auf der Oberfläche des Weißen Zwergs. Manche Novae treten in regelmäßigen Abständen immer wieder auf. RS Ophiuchi ist eine solche wiederkehrende Nova; alle 15 bis 20 Jahre gibt es eine Explosion auf der Sternoberfläche. „Die Sterne, die das System bilden, haben in etwa den gleichen Abstand wie Erde und Sonne“, erklärt Alison Mitchell, Wissenschaftlerin an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und Leiterin des H.E.S.S.-Nova-Programms. „Als die Nova im August 2021 wieder explodierte, konnten wir mit den H.E.S.S.-Teleskopen zum ersten Mal eine galaktische Explosion in sehr hochenergetischer Gammastrahlung beobachten.“

Dabei registrierte die Forschungsgruppe, dass die Teilchen auf mehrere hundertmal höhere Energien beschleunigt wurden als bei zuvor beobachteten Novae. Außerdem wurde die von der Explosion freigesetzte Energie höchst effizient in die Beschleunigung von Protonen (Wasserstoffatomkerne) und schwererer Kerne umgewandelt. Dabei erreichte die Teilchenbeschleunigung die Maximalgeschwindigkeiten, wie sie in theoretischen Modellen berechnet werden. „Die Beobachtung, dass in kosmischen Schockwellen in der Realität das theoretische Limit der Teilchenbeschleunigung erreicht werden kann, hat enorme Auswirkungen für die Astrophysik“, sagt Ruslan Konno, einer der Hauptautoren der Studie und Doktorand bei DESY in Zeuthen. „Sie legt nahe, dass der Beschleunigungsprozess genauso effizient bei noch viel extremeren kosmischen Explosionen – den sogenannten Supernovae – sein könnte.“

Bei der Eruption von RS Ophiuchi konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Nova in Echtzeit mitverfolgen und so zum ersten Mal die kosmische Teilchenbeschleunigung wie einen Film beobachten und studieren. H.E.S.S. konnte höchstenergetische Gammastrahlen noch bis zu einen Monat nach der Explosion messen. „Diese Art der Beobachtung ist neu und erlaubt in Zukunft noch genauere Einblicke in die Funktionsweise kosmischer Explosionen“, sagt Dmitry Khangulyan, Theoretiker an der Rikkyo Universität in Tokyo, Japan. „So könnte es zum Beispiel sein, dass Novae zur allgegenwärtigen Kosmischen Strahlung beitragen und damit die Dynamik ihrer unmittelbaren Umgebung wesentlich beeinflussen.“ Bei der sogenannten Kosmischen Strahlung handelt es sich um einen Hagel energiereicher subatomarer Teilchen, der aus allen Richtungen des Weltalls gleichmäßig kommt, und dessen genaue Ursprünge noch nicht vollständig geklärt sind.

Das Observatorium H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) in Namibia besteht aus fünf sogenannten Cherenkov-Teleskopen, die zur Untersuchung von Gammastrahlung aus dem Weltraum eingesetzt werden. Im größten Teleskop wurde eine neue, hochsensible Kamera installiert, eine sogenannte FlashCam, die dem neusten Stand der Technik entspricht. Solche FlashCams werden derzeit auch für das Gammastrahlen-Observatorium der nächsten Generation weiterentwickelt, das Cherenkov Telescope Array (CTA). „Die neue Kamera ist seit Ende 2019 in Betrieb. Diese Messung zeigt, welches Potenzial in den Kameras der neuesten Generation steckt“, betont Simon Steinmaßl, Doktorand am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, der mit der Analyse der Kameradaten betraut ist.

Die Teleskope wurden schnellstmöglich auf die Nova ausgerichtet, nachdem das Ereignis von einem Hobbyastronomen gemeldet wurde. Auch diese schnelle Reaktion trug zum Erfolg der Beobachtung bei und ermöglichte umfangreiche Nachbeobachtungen. „In den nächsten Jahren wird sich durch Forschung mit CTA-Teleskopen zeigen, ob diese Art von Novae besonders sind“, erklärt H.E.S.S.-Direktor Stefan Wagner, Professor an der Landessternwarte in Heidelberg. Zudem wissen Beobachtende nun genauer, wonach sie suchen müssen. Somit ergeben sich eine Vielzahl an neuen Möglichkeiten, die Geschehnisse im Zusammenhang mit Novae besser zu verstehen und beschreiben, betont Wagner. „Diese Messung stellt einen weiteren Erfolg in der Gammaastronomie dar und lässt uns hoffen, noch viele weitere kosmische Explosionen mit H.E.S.S. und zukünftigen Gammastahlen-Teleskopen zu studieren.“

Über HESS
Das High Energy Stereoscopy System H.E.S.S. ist ein System von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen zur Erforschung der kosmischen Gammastrahlung. Das Observatorium wird in einer internationalen Kooperation betrieben. Die Teleskope befinden sich in Namibia, in der Nähe des Gamsbergs, einer Gegend, die für ihre hervorragende optische Qualität bekannt ist. Vier H.E.S.S.-Teleskope wurden 2002/2003 in Betrieb genommen, das viel größere fünfte Teleskop – H.E.S.S. II – ist seit Juli 2012 in Betrieb, erweitert die Energieabdeckung in Richtung niedrigerer Energien und verbessert die Empfindlichkeit weiter. An H.E.S.S. sind mehr als 230 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 41 Instituten aus 15 Ländern beteiligt.

Originalveröffentlichung
Detection of TeV gamma-ray emission from the recurrent nova RS Oph in its 2021 outburst; The H.E.S.S. collabroation; „Science“, 2022; DOI: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0567

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• H.E.S.S. Teleskope

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Quelle: Universität Wien.

Seit Beginn der BRITE-Constellation im Jahr 2013 – einer Mission, an der die beiden ersten österreichischen Satelliten beteiligt sind – haben die fünf Nanosatelliten Millionen von Bildern aufgenommen. Die Aufnahmen eines kompletten Nova-Ausbruchs sind aber weltweit einzigartig.

Das Nova-Phänomen
Bei einem Nova-Ausbruch saugt ein Weißer Zwerg Materie von seinem Begleitstern ab und speichert diese Masse an seiner Oberfläche so lange, bis der Gasdruck extrem hoch wird. Es kommt zur Explosion, bei der Wasserstoff verbrannt wird und so gewaltige Schockfronten entstehen. Diese Schocks sind wesentlich stärker als beispielsweise jene, die durch Überschallflieger in unserer Erdatmosphäre erzeugt werden. Statt Schall werden daher ein enormer Lichtausbruch und energiereiche Strahlung produziert, wie zum Beispiel Gamma- und Röntgen-Strahlung. So können plötzlich Sterne, die vorher nur mit Fernrohren beobachtbar waren, mit freiem Auge gesehen werden.

„Was aber bringt einen vorher unscheinbaren Stern zur Explosion? Das war ein bislang nicht befriedigend gelöstes Problem“, sagt Prof. Werner Weiss vom Institut für Astrophysik der Universität Wien. Eine Explosion der Nova V906 im Sternbild Carina (Schiffskiel) hat nun Antworten geliefert und dieses Erklärungskonzept bestätigt, lange nach der Explosion vor Ort. „Diese Nova ist nämlich von uns so weit entfernt, dass ihr Licht etwa 13.000 Jahre bis zur Erde braucht“, erklärt Weiss. Das Ereignis konnte von der BRITE-Constellation zwischen März und Juli 2018 dokumentiert werden.

Beobachtung durch Zufall
Bei dieser erstmaligen Beobachtung eines kompletten Nova-Ausbruchs führte der Zufall Regie. Die BRITE-Constellation hatte gerade über mehrere Wochen hindurch kontinuierlich 18 Sterne im Sternbild Carina photometrisch beobachtet, als die Nova plötzlich im Blickfeld auftauchte. Dr. Rainer Kuschnig, der Operations Manager der BRITE-Constellation an der TU Graz, entdeckte den Ausbruch bei seiner täglichen Kontrolle der fünf Nano-Satelliten. „Auf einmal war da ein Stern auf unseren Aufnahmen, der am Vortag noch nicht da war. So etwas hatte ich in all den Jahren der Mission noch nie gesehen!“ 

Eine kurze Recherche unter den Top-Neuigkeiten am Sternenhimmel zeigte, dass der neue Stern als Nova Carinae 2018 identifiziert war. Dr. Kuschnig informierte die 12-köpfige Leitung des wissenschaftlichen Teams von BRITE-Constellation, das BRITE Science Team. „Es ist fantastisch, dass erstmals eine Nova schon vor ihrem eigentlichen Ausbruch und bis viele Wochen danach von unseren Satelliten beobachtet werden konnte.“, sagt Prof. Otto Koudelka, Projektleiter des BRITE-Austria (TUGSAT-1) Satelliten, an der TU Graz.

„Dieser glückliche Umstand war ausschlaggebend dafür, dass das Nova-Ereignis in einer noch nie dagewesenen Präzision festgehalten werden konnte“, erklärt Prof. Konstanze Zwintz, Leiterin des BRITE Science Teams, vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck. Für Zwintz war sofort klar, „dass uns ein weltweit einzigartiges Beobachtungsmaterial zur Verfügung stand.“ Die Kooperation von BRITE-Constellation mit Dr. Elias Aydi von der Michigan State University, USA, führte zu der nun in Nature Astronomy erschienenen Publikation mit dem Titel „Direct evidence for shock-powered optical emission in a nova“.

Sterne aus dem All beobachten
Die BRITE-Constellation ist ein Ensemble von Kleinsatelliten, die das Licht ausgewählter Sterne am Himmel mittels Photometrie mit hoher Präzision aufnehmen. Aus einer Höhe von etwa 800 km beobachtet die BRITE-Constellation Sterne mit Größenklassen zwischen 0 und 6 im optischen Licht, wobei die schwächsten Sterne gerade noch mit freiem Auge unter exzellenten Beobachtungsbedingungen zu sehen wären. Typischerweise werden 15 bis 20 Sterne etwa ein halbes Jahr lang ununterbrochen in einem 24 Quadratgrad großen Feld vermessen – ein Bereich so groß wie z.B. das gesamte Sternbild des Orion oder der große Wagen.

Die BRITE-Constellation wurde mit dem Start der beiden ersten österreichischen Satelliten, BRITE-Austria/TUGSAT-1 und UniBRITE im Jahr 2013 initiiert. Polen und Kanada haben sich 2014 mit je einem Paar baugleicher Satelliten angeschlossen. BRITE-Constellation hat seitdem mehr als 660 der hellsten Sterne am Himmel untersucht.

Publikation in Nature Astronomy:
Elias Aydi et al.: „Direct evidence for shock-powered optical emission in a nova“. Nature Astronomy 2020.
DOI: 10.1038/s41550-020-1070-y

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• SARAL und andere auf PSLV-C20 (CA) vom SDSC FLP

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: American Association of Variable Star Observers.

Bei U Scorpii handelt es sich um eine sogenannte wiederkehrende oder periodische Nova, deren letzter Ausbruch am 25. Februar 1999 (Magnitude 7,5) beobachtet wurde. 2005 hatte Dr. Bradley Schaefer einen erneuten Ausbruch innerhalb eines Zeitfensters von März 2008 bis März 2010 vorausgesagt. Deshalb stand der Stern seit Frühjahr 2008 unter ständiger Beobachtung.
Die American Association of Variable Star Observers (AAVSO) ist eine Vereinigung von Astronomen, die sich die Aufklärung der Mechanismen, die zu wiederkehrenden Novae führen, auf die Fahnen geschrieben hat. Berufs- und Amateurastronomen arbeiten hierbei weltweit zusammen.

Nach Bekanntwerden der Entdeckung wurden sowohl bodengestützte als auch Weltraum-Teleskope auf U Scorpii ausgerichtet. Dazu gehörten auch die Satelliten Rossi und Integral. In einem breiten Spektralbereich soll der Stern nun über mindestens 6 Monate genauer beobachtet werden.

Raumcon:

• Novae

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Ein Beitrag von Maria Steinrück. Quelle: NASA.

Untersucht wurde der kataklysmisch veränderliche Stern Z Camelopardalis (Z Cam). Es handelt sich dabei um einen Weißen Zwerg, also einen bereits kollabierten Stern, der wasserstoffreiches Material von seinem Nachbarn im Doppelsternsystem an sich reißt. Dieses bildet eine rotierende Scheibe um den Weißen Zwerg.
Solche Sterne, deren Helligkeit öfter für kurze Zeit ansteigt, teilt man in zwei Klassen ein: Zwergnovae und klassische Novae.

Zwergnovae mit kleinen Ausbrüchen in kurzen Abständen leuchten auf, wenn durch eine Instabilität Material aus der Akkretionsscheibe auf die Oberfläche des Weißen Zwerges stürzt.

Klassische Novae haben große Ausbrüche, die viel heller als die der Zwergnovae sind, jedoch liegt bei ihnen auch viel mehr Zeit zwischen den Ausbrüchen. Diese entstehen, wenn der Weiße Zwerg genug Material aus der Akkretionsscheibe sammelt, dass der Druck ansteigt und eine Kernfusion hervorruft.

Z Cam ist 530 Lichtjahre von der Erde entfernt. Über Jahrzehnte konnten regelmäßige Ausbrüche in Abständen von drei Wochen beobachtet werden. Die Helligkeit stieg dabei auf das 40-fache an.

Gelegentlich sammeln Zwergnovae so viel Material von der Akkretionsscheibe, dass es zu einem klassischen Nova-Ausbruch kommt – zumindest vermuteten das die Forscher. Einen eindeutigen Beweis fanden sie jedoch nicht.

Schließlich entdeckte Dr. Mark Seibert von der Carnegie Institution of Washington auf einem Bild des Galaxy Evolution Explorers Strukturen um Z Cam, die auf eine massive Hülle um den Stern hinwiesen, die während eines klassischen Nova-Ausbruchs vor wenigen tausend Jahren entstanden sein musste.
Zuvor hatte man diese Hülle nicht entdeckt, da sie im optischen Bereich kaum sichtbar ist. Auf den Bildern des Galaxy Evolution Explorers, die Z Cam in ultravioletten Wellenlängen zeigen, ist sie kaum zu übersehen. Neuere Daten bestätigen, dass die Zwergnova auch einmal einen klassische Nova-Ausbruch durchmachte. Währenddessen muss Z Cam der hellste Stern am Nachthimmel gewesen sein.

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Quelle: ESA.

Nur vier Jahre nach einem Novaausbruch zeigt sich der Weiße Zwerg wieder so, als sei nie etwas vorgefallen.

Wenn ein Stern von der Größe unserer Sonne seinem Ende entgegengeht, schrumpft er zu einem extrem massereichen Winzling zusammen. Sein Kernbrennstoff ist nahezu aufgebraucht und seine starke Anziehungskraft sorgt dafür, dass er unter dem eigenen Gewicht zusammenbricht. Die sterbende Sonne wird bei gleichbleibender Masse immer stärker komprimiert, bis sie schließlich nur noch etwa so groß wie die Erde ist. Ein superdichter so genannter Weißer Zwerg entsteht.

Führen Weiße Zwerge im Universum ein Singledasein, dann glühen diese Winzlinge über Jahrmilliarden langsam aus. Stehen sie jedoch sehr dicht bei einem anderen, jüngeren Stern, so kann sich zwischen den beiden ungleichen Partnern eine verhängnisvolle Affäre anbahnen: Der Weiße Zwerg entzieht seinem Nachbarstern Materie, saugt Wasserstoff und Helium ab. Wegen der hohen Gravitation bildet sich dabei um den Zwerg eine sehr dichte Gashülle, die sich durch Reibung und den hohen Druck extrem aufheizt. Ist schließlich ein kritischer Punkt erreicht, dann zündet das Gas in gewaltigen thermonuklearen Explosionen. Das Doppelsternsystem flammt in einer so genannten Nova auf. Der Weiße Zwerg wird dabei nicht zerstört, aber der Zufluss von Materie vom großen Partnerstern wird unterbrochen.

Zwei spanische Astronominnen haben mit dem ESA-Röntgenobservatorium XMM-Newton einen Weißen Zwerg unter die Lupe genommen, dessen Aufflammen als Nova V2487 Ophiuchi 1998 beobachtet wurde. Im renommierten Fachmagazin „Science“ berichten Margarita Hernanz und Gloria Sala vom Institut d’Estudis d’Espaciales de Catalunya in Barcelona von einer überraschenden Entdeckung: Der sterbende Zwerg hat sich wesentlich schneller erholt, als aufgrund wissenschaftlicher Modelle zu erwarten gewesen wäre. „Wahrscheinlich verstehen wir noch immer nicht genau, wie die Sterne ihre Masse verlieren und sich das auf Nova-Explosionen auswirkt“, schreibt die Forscherin. Bereits knapp drei Jahre nach der Explosion hat der weiße Zwerg wieder angefangen, seinem Partnerstern Materie zu entziehen und sich erneut eine Hülle aus geraubtem Gas zuzulegen. Damit ist höchstwahrscheinlich der Grundstein für einen weiteren Novauasbruch gelegt.

Mit Hilfe von XMM-Newton beobachteten Hernanz und Sala die von der Ophiuchi-Nova nach 1998 emittierte weiche Röntgenstrahlung, die durch nukleare Verbrennung von Wasserstoff entsteht. So konnten sie feststellen, dass der Verbrennungsprozess schon 2,7 Jahre nach dem Ausbruch der Nova zum Erliegen kam. Gleichzeitigt registrierte das ESA-Observatorium harte Röntgenstrahlung, die entsteht, wenn Materie angezogen wird. „Wir haben zweifelsfrei das Wiedereinsetzen des Materiezuflusses zu einem Weißen Zwerg beobachtet, nur 1000 Tage, nachdem dieser als Nova aufgeflammt ist“, so Hernanz.

Bei ihrer Arbeit kamm den Forscherinnen ein glücklicher Zufall zu Hilfe: Bei der Auswertung von Himmelskörpern des Röntgensatelliten ROSAT aus den 90er Jahren stellten sie fest, dass der Weiße Zwerg und sein Begleitstern bereits 1990 aufgenommen wurden, lange vor dem Ausbruch. Damit ist V2487 Ophiuchi die erste Nova, die vor und nach dem Ausbruch im Röntgenlicht beobachtet wurde.

Wissenschaftler hoffen nun, anhand der Daten den Zyklus besser verstehen zu können, den Weiße Zwerge in Doppelsternsystemen durchlaufen, bis sie in einer Nova explodieren.

Derzeit wertet Hernanz Datenmaterial von XMM-Newton über eine weitere Nova aus. Neue Erkenntnisse über Novae können beispielweise helfen, genauer zu verstehen, wie es zur heutigen chemischen Zusammensetzung unserer Galaxie kam. „Zwar haben Novae keinen so wesentlichen Einfluss auf den chemischen Entwicklungsprozess unserer Galaxie wie die Supernovae, sie sind aber wichtig, weil sie bestimmte chemische Elemente produzieren, die andere Himmelskörper nicht erzeugen können“, so Hernanz. Ihre Arbeit bedeutet auch für das ESA-Röntgenobservatorium einen Erfolg. „Eine hochwertige Arbeit wie diese belegt, dass XMM-Newton genau das leistet, was es zu leisten soll, die Grenzen der Röntgenastronomie neu zu definieren und die Tür zu neuen Entdeckungen aufstossen“, so Fred Jansen, der als Projektwissenschaftler für XMM-Newton zuständig ist.

Aber Fernanda Hernanz ist schon längst unterwegs in die Zukunft. Sie hat bereits das nächste Werkzeug im Auge, mit dem sie den Rätseln der Novae auf den Grund gehen will, diesmal im Licht der Gammastrahlung: „Einige der radioaktiven Elemente, die offenbar durch Novae produziert werden, strahlen im Gamma-Bereich. Es wäre toll, wenn wir diese Elemente mit INTEGRAL aufspüren und so unsere Annahmen überprüfen könnten.“

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