Die Ergebnisse dieser Forschung wurden am 20. Mai in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
Magnetare gehören zu den magnetischsten Objekten des Universums.
Bildnachweis: ESA
Außergewöhnliche stellare Explosionen
Kernkollaps-Supernovae treten auf, wenn ein Stern, der viel massereicher als unsere Sonne ist, seinen Brennstoff erschöpft, in sich zusammenfällt und dann explodiert. Dieser Kollaps kann einen Neutronenstern von der Größe einer Stadt oder sogar ein noch kleineres Schwarzes Loch hervorbringen. Die Schockwelle schleudert den Rest des Sterns in den Weltraum und bildet eine sich schnell ausdehnende Wolke aus heißem, dichtem ionisiertem Gas.
In den letzten zwei Jahrzehnten wurden fast 400 außergewöhnliche Supernovae dieser Art identifiziert, die als superlumineszierende Supernovae bezeichnet werden. Jede von ihnen hat mindestens zehnmal mehr sichtbares Licht erzeugt als eine normale Supernova.
Im Jahr 2024 zeigte eine von Li Shang von der Universität Anhui in Hefei (China) geleitete Studie, dass das Fermi-Teleskop Gammastrahlen entdeckt haben könnte, die von einer Jahre zuvor stattgefundenen superlumineszierenden Supernova ausgesendet wurden. Diese übermächtige Explosion mit der Bezeichnung SN 2017egm ereignete sich in der Galaxie NGC 3191, die sich etwa 440 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Großer Bär befindet. Trotz dieser Entfernung ist sie eine der nächsten ihrer Art, die je beobachtet wurde.
Die Wissenschaftler suchten nach Gammastrahlen, die von den sechs nächsten superlumineszierenden Supernovae ausgesendet wurden, die in den ersten 16 Jahren der Fermi-Mission entdeckt wurden. Nur SN 2017egm weist Spuren von Gammastrahlen auf, was bestätigt, dass einige Supernovae sowohl in Gammastrahlen als auch im sichtbaren Licht ebenso hell sein können. Dies eröffnet einen neuen Weg, um diese Phänomene zu untersuchen.
Die superlumineszierende Supernova SN 2017egm wurde am 23. Mai 2017 von der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation entdeckt. Sie explodierte in einer riesigen Balkenspiralgalaxie namens NGC 3191, die links vor der Explosion zu sehen ist.
Das rechte Bild, aufgenommen am 1. Juli 2017, zeigt die Supernova, die ihre gesamte Galaxie überstrahlt.
© links: SDSS und PS1; rechts: NOT+ALFSOC/Bose et al. 2020
Die Rolle der Magnetare
Wissenschaftler diskutieren seit langem über die Energiequellen, die diesen Explosionen eine so außergewöhnliche Kraft verleihen können. Unter den Hypothesen steht die Bildung eines Magnetars – eines Neutronensterns mit den stärksten bekannten Magnetfeldern, die bis zu 1.000-mal stärker sind als die normaler Neutronensterne – ganz oben. Zur Veranschaulichung: Das entspricht dem 10.000-Milliarden-fachen der Stärke eines Kühlschrankmagneten!
Das Team analysierte eingehend die optischen und Gamma-Eigenschaften der Supernova, um verschiedene theoretische Modelle zu vergleichen. Ein von den Koautoren Indrek Vurm (Universität Tartu, Estland) und Brian Metzger (Columbia University, New York) entwickeltes Modell simulierte, wie das Licht und die von einem neu gebildeten Magnetar erzeugten Teilchen mit den expandierenden Trümmern der Supernova interagieren.
Ein komplexer Mechanismus
Ein frisch gebildeter Magnetar dreht sich mehr als 100 Mal pro Sekunde um seine eigene Achse. Diese schnelle Rotation erzeugt einen intensiven Strom von Elektronen und Positronen (ihren Antimaterie-Äquivalenten) und bildet eine ausgedehnte Wolke energiereicher Teilchen. In dieser Wolke, die als Pulsarwind-Nebel (oder in diesem Fall Magnetarwind-Nebel) bezeichnet wird, treiben verschiedene Wechselwirkungen die Produktion und Absorption von Gammastrahlen an, der energiereichsten Form von Licht. Die Gammastrahlen interagieren mit den Trümmern der Supernova. Da sie nicht direkt entweichen können, werden sie in sichtbares Licht mit geringerer Energie umgewandelt, was die Helligkeit der Supernova verstärkt.
Etwa drei Monate nach dem Kollaps, wenn sich die Trümmer der Supernova ausdehnen und abkühlen, beginnen die Gammastrahlen zu entweichen. Das Magnetar-Modell reproduziert am besten die Helligkeit der Supernova und den Zeitpunkt des Eintreffens ihrer Gammastrahlen in den ersten Monaten, aber es sind Verbesserungen nötig, um die späteren Phasen zu erklären, in denen das sichtbare Licht unregelmäßig verblasst.
Zusätzliche Prozesse
Die Wissenschaftler vermuten, dass andere Mechanismen wahrscheinlich eine Rolle beim verlängerten Rückgang von SN 2017egm gespielt haben, wie das Herabfallen von Trümmern auf den Magnetar oder Wechselwirkungen zwischen der Schockwelle und der Materie, die der Stern Jahrhunderte vor seinem Tod ausgestoßen hatte.
Das Team bewertete auch die Fähigkeit eines neuen bodengestützten Gammastrahlen-Observatoriums, des Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), Ereignisse ähnlich wie SN 2017egm zu detektieren. Mit etwa 50 Stunden Beobachtungszeit könnte ein solches Phänomen bis zu 500 Millionen Lichtjahre entfernt aufgespürt werden und würde neue Perspektiven eröffnen, um die Rolle von Magnetaren bei energetischen Ereignissen im Universum zu untersuchen.
Das Teleskopnetzwerk CTAO befindet sich im Bau mit zwei Standorten: dem ersten auf der Insel La Palma auf den Kanaren und in Chile in der Atacama-Wüste. Das CNRS ist einer der Hauptakteure dieses Konsortiums.