Nach 20.000 Lichtjahren nehmen Sie die Ausfahrt 1604 Richtung „Keplers Nova“ – astronomische Distanzbestimmungen mit Supernovae

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Dr. Ilka Petermann, Universität Liège

Damit uns das Navi nicht auf den steinigen Feldweg sondern in die richtige Straße zur Grillparty schickt, müssen wir uns auf exakte Positions- und damit Distanzmessungen des GPS verlassen können. Für Astronomen sind die Größenordnungen zwar ungleich gewaltiger – doch auch hier müssen Abstände zu Sternen, Galaxien und anderen Objekten mit größtmöglicher Präzision gemessen werden. Ein Verfahren bedient sich der Supernovae des Typs Ia (Abb.1), deren explosives Ende nach einem gleichbleibenden Schema sie als ‚Standardkerzen‘ hervorhebt. Neue Beobachtungen zeigen aber, dass man vielleicht zweimal hinschauen muss, denn unter den Standardkerzen scheint es auch ein paar Wunderkerzen zu geben.

 

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Abb.1: Überrest der Supernova von 1604, auch Keplers Supernova genannt. Das Bild ist eine Kompositaufnahme aus Beobachtung im optischen, Infrarot-/ und Röntgenbereich. Dank an: NASA / ESA / JHU / R. Sankrit & W. Blair

 

Die Abstände im Universum sind gewaltig: 150 Millionen Kilometer sind es von der Erde bis zur Sonne, bis zum nächsten Stern ‚Proxima Centauri‘ sind es 4.24  Lichtjahre (1 Lichtjahr entspricht knapp 1013 km). Das fernste Objekt, das bei klarer Sicht noch von der Erde aus zu sehen ist, ist unsere Nachbargalaxie, der Andromedanebel, mit einem Abstand von rund 2.5 Millionen Lichtjahren. Und im Jahr 2011 wurde mit dem Hubble Weltraumteleskop eine der entferntesten Galaxien mit dem sperrigen Namen ‚UDFj-39546284‘ (Abb.2) entdeckt: ganze 13,2 Milliarden Jahre war das Licht zu uns unterwegs!

 

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Abb.2: Aufnahme des Hubble Space Telescopes der Galaxie UDFj-39546284 im Sternbild Fornax. Im Jahr 2011 entdeckt, ist sie eines der am weitesten entfernten bekannten Objekte im Universum. Dank an: NASA / ESA / Garth D. Illingworth / R. Bouwens / HUDF09 Team

 

Um Distanzen in allen Größenordnungen bestimmen zu können (Abb.3), gibt es nicht das eine  Patentrezept. Genauso weit entfernt wie dem kleinen Kind die Keksdose hoch oben auf dem Schrank erscheint, so weit weg sind die meisten Objekte für den Astronomen. Doch es gibt Hilfe in Form der ‚kosmischen Entfernungsleiter‘: Mit jeder Sprosse erschließen sich neue Informationen, die der Distanzbestimmung der nächsthöheren Sprosse dienen. Die Kekse rücken sozusagen in greifbare Nähe…

Den ersten Schritt macht die parallaktische Entfernungsmessung, bei der ausgenutzt wird, dass sich die Position eines entfernten Objektes scheinbar ändert, wenn sich der Beobachter selbst bewegt. In unserem Fall ist das die Erde auf ihrem Weg um die Sonne und ihre Positionen im Abstand von einem halben Jahr. Bis etwa 103 Parsec (ein Parsec = 3.26 Lichtjahre) kann diese Methode angewendet werden, dann muss die nächste Sprosse weiterhelfen.

Bei der Parallaxenmethode hat man keine Informationen über die beobachteten Objekte zugrunde legen müssen. Für die nächsten Sprossen muss man aber etwas mehr über den Aufbau, das ‚Verhalten‘ und die Evolution der Sterne wissen.

Kennt man die absolute Helligkeit eines bestimmten Objekts oder einer Gruppe, so kann man allein aus deren scheinbarer Helligkeit (wie hell ein Körper auf der Erde erscheint) auf deren Entfernung schließen. Wie eine Lichterkette, bei der jedes Birnchen die gleiche und bekannte Wattzahl hat, erscheinen im verrauchten Partykeller diejenigen in unserer unmittelbaren Nähe heller als solche ganz am anderen Ende des Raumes: Ihr Licht wurde absorbiert und gestreut, erreicht uns also nur noch in ‚abgeschwächter‘ Form.

Da der Weltraum-Partykeller groß ist, brauchen wir Birnchen, oder ‚Standardkerzen‘ wie sie die Astronomen nennen, mit bekannter und hoher Leuchtkraft. Zwei Gruppen  von Objekten bieten sich hierfür an: pulsationsveränderliche Sterne und die Klasse der Supernovae des Typs Ia.

Erstere fallen durch extrem regelmäßige Schwankungen ihrer Leuchtkraft auf, von Minuten bis zu wenigen Tage (RR Lyrae Sterne) oder in der Größenordnung von bis zu hundert Tagen (Cepheiden). Im Jahr 1912 entdeckte die US-amerikanische Astronomin Henrietta Swan Leavitt einen Zusammenhang zwischen der Periode und der absoluten Leuchtkraft dieser radial pulsierenden Sterne: Mit dieser ‚Perioden-Leuchtkraft-Beziehung‘ wurde die Entfernungsmessung möglich. Die ‚Entfernungssprossen‘ der Entfernungsleiter von Kiloparsec bis hin zu 30 Megaparsec können dank dieser Relation erfolgreich genommen werden.

 

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Abb.3: Kosmische Entfernungsleiter mit ihren Sprossen. Dank an: www.daviddarling.info

 

Für noch größere Entfernungen, bis hin zu 1000 Megaparsec, muss es explosiv werden: Supernovae helfen weiter. Diese auch thermonuklearen Supernovae genannten Ereignisse finden in einem Doppelsternsystem statt, das aus einem Weißen Zwerg und einem Begleitstern besteht. Während ersterer als Stern in einem sehr späten Entwicklungsstadium sehr stabil und ruhig ist, kann sein Begleiter ‚mitteilsamer‘ sein: unter bestimmten Voraussetzungen kann es passieren, dass er Masse auf den Weißen Zwerg überträgt, der durch die plötzliche Spende aus seiner Ruhe gerissen wird. Wird eine bestimmte Massengrenze, die Chandrasekhar-Grenze, überschritten, setzt eine thermonukleare Reaktion ein, die in einer gewaltigen Explosion mündet. Und weil die Masse, bei der dies stattfindet, stets die gleiche ist, ist auch die Explosionsenergie immer weitgehend gleich.  Ein Glücksfall für den Astronomen, der nun mal schnell den Partykeller verlässt und den Abstand der Supernova bestimmen kann.

Doch etwas Vorsicht ist geboten. Bei den beiden Methoden nimmt man an, dass die beobachteten Objekte immer dieselben Eigenschaften haben, ganz gleich, ob sie verhältnismäßig nah zur Erde oder aber weiter entfernt sind. In den 1950ern konnte Walter Baade zeigen, dass bestimmte Parameter der Cepheiden, die man zur Kalibrierung der Standardkerzen brauchte, Abweichungen zeigen können, je nachdem, wie ‚metallarm‘ (ältere Sterne, etwa im entfernten Halo) oder ‚metallreich‘ (jüngere, etwas näher gelegene) die beobachteten Sterne sind.

In einer neuen Studie, bei dem Daten des Swift Forschungssatelliten der NASA ausgewertet wurden, konnte eine Arbeitsgruppe unter Leitung von Wissenschaftlern der Universität Arizona zeigen, dass die Spektren von näheren und ferneren Supernovae unterschiedliche ‚Gruppierungen‘ aufweisen. Eine Untersuchung im ultravioletten und sichtbaren Bereich zeigte zwei getrennte Gruppen: ‚Team rot‘ und ‚Team blau‘, bezogen auf ihre spektralen Eigenheiten. Während bei den uns näheren Supernovae ‚Team rot‘ zahlenmäßig überlegen ist, ist es bei den weiter entfernten Supernovae genau andersherum: ‚Team blau‘ dominiert. Die spezifischen Eigenschaften scheinen also in verschiedenen Zeitepochen Unterschiede aufzuweisen, was für die Kalibrierung der Standardkerzen verstanden werden muss. Erste Untersuchungen in dem Wellenlängenbereich, der zur Erklärung für die Unter-schiede im UV und optischen Bereich in Frage kommt, haben ergeben, dass vom Stern weg-geschleudertes Material für die ‚rote Variante‘ schneller ist. Dieser Geschwindigkeitsunterschied kann die Beobachtungen zum Teil erklären, zur vollständigen Lösung müssen aber, wie die Arbeitsgruppe darlegt, weitere Daten gesammelt und ausgewertet werden.

Bis dahin kann man sich auf gesicherte Sprossen der Entfernungsleiter verlassen und sich auf ein Ereignis freuen, das jedes Jahr aufs Neue sehr weit entfernt zu sein scheint: der Sommer und mit ihm ein hoffentlich erholsamer Urlaub!

 


Literatur:

arXiv:1408.1706v1 [astro-ph.CO]

Peter A. Milne, Ryan J. Foley, Peter J. Brown, Gautham Narayan

“The Changing Fractions of Type Ia Supernova NUV-Optical Subclasses with Redshift”

oder

The Astrophysical Journal, Volume 803, Issue 1, article id. 20 (2015)

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