Künstlerische Darstellung einer Supernova - M. Weiss
"Es gibt Milliarden von Sternen im Universum, und etwa jede Sekunde explodiert einer davon. ZTF entdeckt Hunderte dieser Explosionen jede Nacht, und eine Handvoll davon werden später als Supernovae bestätigt. Indem wir dies sieben Jahre lang systematisch durchgeführt haben, haben wir das bisher umfassendste Register bestätigter Supernovae erhalten", erklärt Christoffer Fremling, Astronom am California Institute of Technology (Caltech), der das BTS-Programm (Bright Transient Survey) von ZTF leitet, das sich der Suche nach Supernovae widmet.
Der Bright Transient Survey ist derzeit die Hauptquelle für die Entdeckung dieser kosmischen Blitze – im Fachjargon als "transiente Ereignisse" bezeichnet. ZTF teilt einen Strom von Entdeckungen transierter Ereignisse mit der gesamten astronomischen Gemeinschaft, um sie durch spektrale Analysen weiter zu untersuchen. Diese Analyse ermöglicht es, die Entfernung, den Typ und andere physikalische Eigenschaften eines transierten Ereignisses zu enthüllen.
Die meisten Ereignisse in der BTS-Stichprobe werden in einen der beiden häufigsten Typen eingeteilt: Supernova vom Typ Ia, wenn ein weißer Zwerg Materie von einem benachbarten Stern stiehlt, bis er explodiert, oder Supernova vom Typ II, wenn ein massereicher Stern stirbt und unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert. Dank dieser Daten sind Astronomen nun besser ausgestattet, um die Funktionsweise der dunklen Energie zu untersuchen und die Prozesse zu verstehen, die beim Tod von Sternen ablaufen.
"Mit ZTF haben wir jetzt mehr Supernovae vom Typ Ia gesammelt, als alle Erhebungen der letzten dreißig Jahre zusammen gebracht haben", bemerkt Mickaël Rigault, Leiter der ZTF-Gruppe in Frankreich und des "Kosmologie"-Programms der Zusammenarbeit.
Etwa 70 % der Supernovae in der BTS-Studie wurden von dem ZTF-Team dank der ergänzenden Arbeit von zwei Teleskopen am Observatorium Palomar in der Nähe von San Diego entdeckt und klassifiziert. Das erste ist das Samuel-Oschin-Teleskop mit einem Durchmesser von 1,2 m. Es durchsucht den gesamten sichtbaren Himmel alle zwei Nächte mit einer Weitwinkelkamera von 60 Millionen Pixeln, die an seinem Brennpunkt montiert ist. Um neue astronomische Ereignisse zu entdecken, subtrahieren die Astronomen die Bilder desselben Himmelsausschnitts von den nachfolgenden Durchmusterungen.
Die Supernova SN 1994D (der helle weiße Punkt unten links im Bild) im äußeren Bereich der Scheibe der Spiralgalaxie NGC 4526.
In der nächsten Phase des Entdeckungsprozesses untersuchen die Mitglieder des ZTF-Teams die subtrahierten Bilder und lösen zusätzliche Beobachtungen für die vielversprechendsten Kandidaten mit dem benachbarten 1,5-m-Teleskop aus, das das ZTF-Spektrograph SEDm beherbergt. "Wir kombinieren die Helligkeitsinformationen, die von der ZTF-Kamera geliefert werden, mit den Daten von SEDM, um den Ursprung und den Typ eines transierten Ereignisses korrekt zu identifizieren, ein Prozess, den Astronomen als Klassifizierung transierter Ereignisse bezeichnen", erklärt Yu-Jing Qin, Postdoktorand am Caltech.
Zu diesem Zweck hat die Gruppe des IP2I (CNRS/Université Claude Bernard) unter der Leitung von Mickaël Rigault die erste vollautomatische Pipeline zur Reduktion spektroskopischer Daten aus der SEDm eingerichtet. "Wir erhalten so ein Spektrum, das von Wissenschaftlern analysiert werden kann, weniger als 5 Minuten nach Abschluss der Beobachtung", präzisiert Mickaël Rigault.
Seit 2012 verfolgen Astronomen die Entdeckungen transierter Ereignisse auf einer öffentlichen Plattform namens "Transient Name Server" (TNS). Die weltweite Gemeinschaft nutzt diese Plattform, um Entdeckungen und Klassifizierungen transierter Ereignisse bekannt zu geben.
Indem sie ihre Entdeckungen teilen, schaffen die Astronomen ein virtuelles globales Observatorium, in dem nicht klassifizierte transiente Ereignisse von anderen Astronomenteams mit spektroskopischen Einrichtungen klassifiziert werden können. Dank dieser gemeinsamen Anstrengungen enthält der TNS heute etwa 16.000 Einträge von klassifizierten Supernovae und anderen transierten Ereignissen. "Die SEDm ist für die Klassifizierung von fast der Hälfte aller weltweit entdeckten Supernovae verantwortlich", bemerkt Mickaël Rigault.
Vor zwei Jahren hat sich Christopher Fremling mit Experten für maschinelles Lernen am Caltech zusammengetan, um Computer darin zu trainieren, die spektroskopischen Daten der SEDm zu lesen, Supernovae zu klassifizieren und die Ergebnisse automatisch einige Minuten nach den Beobachtungen an den Transient Name Server zu übermitteln. Im Jahr 2023 hat der Doktorand Nabeel Rehemtulla von der Northwestern University die Nutzung des maschinellen Lernens auf den gesamten Beobachtungszyklus ausgeweitet. Er entwickelte das System BTSbot, das derzeit in ZTF verwendet wird, um Supernovae ohne menschliches Eingreifen zu entdecken, zu klassifizieren und zu melden.
"Seit BTSbot in Betrieb ist, hat es etwa die Hälfte der hellsten ZTF-Supernovae vor einem Menschen gefunden. Für einige Arten von Supernovae haben wir den gesamten Prozess automatisiert, und BTSbot hat bisher in mehr als hundert Fällen hervorragende Ergebnisse erzielt. Das ist die Zukunft der Supernova-Studien, besonders wenn das Vera-Rubin-Observatorium in Betrieb geht", fügt Nabeel Rehemtulla hinzu.
Das Vera-Rubin-Observatorium wird derzeit in den chilenischen Bergen gebaut und wird nach seiner Fertigstellung viel empfindlicher sein als ZTF, was die Entdeckung von Millionen von Supernovae ermöglichen wird. "Die Werkzeuge für maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz, die wir für ZTF entwickelt haben, werden unerlässlich sein, wenn das Vera-Rubin-Observatorium in Betrieb geht", erklärt Daniel Perley, Astronom an der John Moores Universität in Liverpool, Großbritannien, der die Such- und Entdeckungsverfahren für BTS entwickelt hat und die öffentliche Datenbank der Studie verwaltet. "Die Ergebnisse unserer Arbeit an ZTF und die Werkzeuge, die wir dort entwickeln, werden wertvoll für die Untersuchung der Millionen von Supernovae sein, die Rubin entdecken wird", fügt Mickaël Rigault hinzu.
Dank einer zusätzlichen Finanzierung von 1,6 Millionen US-Dollar von der National Science Foundation (NSF) der USA wird ZTF in den nächsten zwei Jahren weiterhin den Nachthimmel durchsuchen.
"In den Jahren 2025 und 2026 werden ZTF und Vera Rubin im Tandem arbeiten können, was eine fantastische Nachricht ist", sagt Mansi Kasliwal, Professorin für Astronomie am Caltech, die ZTF in den nächsten zwei Jahren leiten wird. "Indem wir die Daten der beiden Observatorien kombinieren, können Astronomen direkt die Physik hinter der Explosion von Supernovae angehen und schnelle, junge transiente Ereignisse entdecken, die für ZTF oder Rubin allein unzugänglich sind. Ich bin sehr begeistert für die Zukunft", schließt Mansi Kasliwal.