Rätsel um wasserstoffarme Supernovae gelöst

Hat ein massereicher Stern das Ende seines Lebens erreicht, kann er in einer Supernova explodieren. Diese Explosion ist so gewaltig, dass er kurzzeitig so hell leuchtet wie eine ganze Galaxie. Diese Sterne explodieren normalerweise als wasserstoffreiche Supernovae. Es gibt allerdings auch wasserstoffarme Supernovae, die Astronom*innen ein Rätsel aufgeben. 

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Gibt zu viele wasserstoffarme Supernovae

"Es gibt viel mehr wasserstoffarme Supernovae, als unsere derzeitigen Modelle erklären können", sagt Ylva Götberg, Assistenzprofessorin am Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Bis jetzt waren Forscher*innen nicht in der Lage, die Vorläufersterne zu identifizieren. Es ist fast so, als wären diese Supernovae aus dem Nichts aufgetaucht.

Zusammen mit Maria Drout von der Universität Toronto ging Götberg also dem Rätsel nach. Eine wasserstoffarme Supernova entsteht, wenn ein Stern explodiert, der seine wasserstoffreiche Hülle verloren haben muss. "Das geschieht bei einem Drittel aller massereichen Sterne auf natürliche Weise durch Abstreifen der Hülle durch einen Doppelstern", sagt Götberg. 

Die Sterne, nach denen Drout und Götberg suchten, kommen also paarweise vor. Solche Doppelsternkonstellationen sind in der Astronomie nichts Neues. Der hellste Stern an unserem Nachthimmel, Sirius A, und sein schwacher Begleitstern Sirius B, gehören etwa einem solchen Binärsystem an.

Auf die Größe kommt es an

In einem Doppelsternsystem kreisen die Sterne umeinander, bis sich die dicke, wasserstoffreiche Hülle des massereicheren Sterns ausdehnt. Der Begleitstern kann daraufhin die wasserstoffreiche Hülle seines großen Bruders anziehen und sozusagen absaugen. Übrig bleibt ein kompakter Heliumkern, der etwa 2 bis 8 Mal so schwer wie die Sonne ist und 10 Mal heißer ist als ihre Oberfläche. "Solche Sterne wurden bisher aber nicht beobachtet", sagt Götberg. 

Was man aber gefunden hat, sind sogenannte Wolf-Rayet-Sterne. Sie bestehen ebenfalls nur aus einem Heliumkern, besitzen aber zwischen 10 und 265 Sonnenmassen. Damit sind sie zu schwer, um für wasserstoffarme Supernovae infrage zu kommen. Andere haben wiederum nicht genug Masse, um die Kriterien zu erfüllen.

Vor der Studie von Götberg und Drout wurde zudem nur ein Stern gefunden, der die erwarteten Kriterien für Masse und Zusammensetzung erfüllte. Dadurch, dass er an Wolf-Rayet-Sterne erinnerte, wurde er "Quasi-WR" benannt. "Doch die Sterne, die sich auf diesem Weg entwickeln, haben eine so lange Lebensdauer, dass viele von ihnen über das gesamte beobachtbare Universum verstreut sein müssen", sagt Götberg.

Forscherinnen schauten genauer hin

Haben die Forscher*innen die Sterne also einfach übersehen? Es scheint so, wie Götberg und Drout zeigten. Mithilfe von UV-Photometrie und optischer Spektroskopie identifizierten sie eine Population von 25 Sternen, die mit den Erwartungen für Heliumsterne mittlerer Masse übereinstimmen. Die Sterne befinden sich in 2 gut untersuchten benachbarten Galaxien, der Großen und der Kleinen Magellanschen Wolke.

Das Leuchtspektrum dieser Sterne deutet darauf hin, dass die äußeren Schichten entfernt werden. Außerdem weisen sie starke Helium-Signaturen auf. Beides sind Hinweise darauf, dass diese Sterne die Vorläufer von wasserstoffarmen Supernovae sein könnten. 

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"Diese Arbeit ermöglichte es uns, die fehlende Population von Heliumsternen mittlerer Masse zu finden, die als Vorläufer von wasserstoffarmen Supernovae vorhergesagt werden. Diese Sterne hat es schon immer gegeben, und es gibt wahrscheinlich noch viel mehr von ihnen da draußen. Wir müssen nur Wege finden, um sie zu finden", sagt Götberg.

Die Studie wurde im Fachjournal Science veröffentlicht.