Wann wird die nächste Supernova in unserer Galaxie auftreten? | Wissenschaft

Stellen Sie sich vor, Sie wären ein Astronom in den frühen Jahren des 17. Jahrhunderts. Das Teleskop ist noch nicht erfunden, also scannen Sie den Nachthimmel nur mit bloßem Auge. Dann sehen Sie eines Tages einen bemerkenswerten Anblick: Ein heller neuer Stern erscheint und für die nächsten Wochen leuchtet er sogar den Planeten Venus. Es ist so hell, dass es sogar am helllichten Tag gesehen werden kann. Es verweilt viele Monate am Himmel und wird mit der Zeit allmählich dunkler.

Das hat der deutsche Astronom Johannes Kepler 1604 gesehen; Skywatcher in anderen Teilen Europas, des Nahen Ostens und Asiens sahen es ebenfalls. Wir wissen jetzt, dass es nicht wirklich ein neuer Stern war, sondern eher eine Supernova-Explosion – eine enorme Explosion, die passiert, wenn bestimmte Sterne das Ende ihres Lebens erreichen.

Das Ereignis von 1604 war das letzte Mal, dass eine Supernova in unserer Milchstraße auftauchte. Oder zumindest der letzte, von dem bekannt ist, dass er beobachtet wurde; Es ist möglich, dass es in der Zwischenzeit andere Supernovae in der Nähe gegeben hat, die wahrscheinlich durch dazwischen liegendes Gas und Staub verdeckt wurden. Astronomen können auch die Überreste längst vergangener Supernovae sehen, wie z Krebsnebel, dessen Licht 1054 zum ersten Mal die Erde erreichte. Das zweitbeste Ergebnis nach Keplers Supernova in den letzten Jahren war die Supernova, die 1987 in der Großen Magellanschen Wolke, einer kleinen Begleitgalaxie der Milchstraße, gesichtet wurde (und als 1987A bezeichnet wurde). Astronomen haben auch viele Supernovae in anderen Galaxien aufgezeichnet; Diese sind teleskopisch sichtbar, wären aber zu Keplers Tagen von Himmelsbeobachtern völlig übersehen worden.

Mit anderen Worten, es war eine lange Wartezeit – 418 Jahre, seit wir einen Stern in unserer Galaxie explodieren sehen. Sind wir also überfällig für eine helle Supernova in der Nähe?

„Das ist eines meiner Lieblingsthemen bei einem Bier“, sagt Brian Fields, Astronom an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign. Astronomen schätzen, dass in unserer Galaxie im Durchschnitt jedes Jahrhundert zwischen einem und drei Sternen explodieren sollten. Eine Lücke von vier Jahrhunderten ist also etwas mehr, als man erwarten würde. „Statistisch gesehen kann man nicht sagen, dass wir überfällig sind – aber informell sagen wir alle, dass wir überfällig sind“, sagt Fields.

Die heutigen Astronomen sind viel besser auf die nächste Supernova vorbereitet als Kepler es gewesen wäre – oder als irgendjemand noch vor ein paar Jahrzehnten gewesen wäre. Heutige Wissenschaftler sind mit Teleskopen ausgestattet, die sichtbares Licht aufzeichnen. Diese Instrumente werden zeigen, wie eine Supernova aussehen würde, wenn wir nahe an sie heranfliegen und sie mit unseren eigenen Augen betrachten könnten. Aber wir haben auch Teleskope, die Infrarotlicht aufzeichnen können – Licht, dessen Farben jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums liegen. Mit seinen längeren Wellenlängen kann Infrarotlicht Gas und Staub leichter passieren als sichtbares Licht und enthüllt Ziele, die mit herkömmlichen Teleskopen möglicherweise nicht zu sehen sind. Das James-Webb-Weltraumteleskop zum Beispiel zeichnet hauptsächlich im Infrarotbereich auf. Sowohl sichtbares als auch infrarotes Licht sind Teil des „elektromagnetischen Spektrums“, aber Supernovae emittieren auch eine andere Art von Strahlung in Form von subatomaren Teilchen, die Neutrinos genannt werden – und heute haben wir auch Detektoren, um sie einzufangen. Außerdem verfügen Astronomen jetzt über Detektoren, die feine Wellen im Gewebe der Raumzeit aufzeichnen können, die als Gravitationswellen bekannt sind und von denen angenommen wird, dass sie auch von explodierenden Sternen ausgelöst werden.

„Die wirkliche Erwartung ist jetzt, dass wir die Trifecta – elektromagnetische Wellen, Gravitationswellen und Neutrinos – von einer Supernova-Explosion haben werden“, sagt Ray Jayawardhana, Astronom an der Cornell University. „Das wäre eine unglaublich reichhaltige Quelle an Informationen und Erkenntnissen.“

Wissenschaftler haben zwei verschiedene Arten von Supernova beschrieben. Bei einer Supernova vom Typ I zieht ein weißer Zwergstern Material von einem Begleitstern ab, bis eine außer Kontrolle geratene Kernreaktion zündet; Der Weiße Zwerg wird auseinandergeblasen und Trümmer werden durch den Weltraum geschleudert. Keplers war eine Supernova vom Typ I. Bei einer Supernova vom Typ II, die manchmal als Kernkollaps-Supernova bezeichnet wird, erschöpft ein Stern seinen Kernbrennstoffvorrat und kollabiert unter seiner eigenen Schwerkraft; der Einsturz „prallt“ dann ab und löst eine Explosion aus.

Jede Art von Supernova kann kurzzeitig so hell sein eine ganze Galaxie überstrahlen. Aber Supernovae vom Typ II sind besonders interessant, weil sie nicht nur Licht, sondern auch enorme Mengen an Neutrinos freisetzen. Tatsächlich kann die Emission von Neutrinos ein wenig vor der Explosion selbst beginnen, erklärt Kate Scholberg, Astronomin an der Duke University.

„Wenn der Stern nah genug ist, können wir möglicherweise einige dieser frühen Prä-Supernova-Neutrinos beobachten, bevor der Kernkollaps tatsächlich stattfindet“, sagt Scholberg. Wenn zum Beispiel der rote Riesenstern Beteigeuze zu einer Supernova werden würde, würden Neutrino-Detektoren das Signal wahrscheinlich Stunden oder sogar Tage, bevor die Explosion selbst sichtbar wird, auffangen, sagt sie. (Beteigeuze schwankte in den letzten Jahren in der Helligkeit, und einige Astronomen deuteten an, dass es kurz vor der Explosion stand, aber neuere Studien deuten darauf hin, dass die Verdunkelung entweder durch Staubwolken oder durch Sonnenfleckenaktivität auf der Oberfläche des Sterns verursacht wurde. Trotzdem wird erwartet, dass der Riesenstern irgendwann in den nächsten 100.000 Jahren explodiert.)

Wenn Neutrinos von einer galaktischen Supernova die Erde erreichen, erhalten Astronomen eine automatische Warnung, die von einer Reihe von Neutrino-Detektoren, bekannt als die, gesendet wird Supernova Frühwarnsystem, oder SCHNEE. Scholberg half Anfang der 2000er Jahre bei der Entwicklung der ersten Version von SNEWS; Heute fahren Astronomen „SNEWS 2.0“ hoch, das die gleiche Funktion wie sein Vorgänger erfüllen wird, jedoch mit verbesserter Triangulationsfähigkeit. Das Netzwerk wird Daten von sieben verschiedenen Detektoren verwenden – die sich in sechs verschiedenen Ländern plus der Antarktis befinden – um die ungefähre Richtung der Supernova in der zu bestimmen Himmel, damit optische Instrumente genauer hinsehen können.

Als 1987A explodierte, steckte die Neutrinowissenschaft noch in den Kinderschuhen – trotzdem wurden zwei Dutzend Neutrinos von drei damals in Betrieb befindlichen Detektoren registriert. Wenn jetzt eine Supernova in unserer Galaxie explodiert, wird das globale Netzwerk von Detektoren Hunderte oder sogar Tausende von Neutrinos aufzeichnen.

Ein besonderer Fall könnte ein besonders provokantes Signal abgeben: Wenn ein kollabierender Stern schwer genug ist, kann er ein Schwarzes Loch bilden – dann verpufft „die ganze Explosion“, sagt Scholberg. In diesem Szenario „würde der Neutrinofluss sehr schnell abschalten. Das wäre wirklich cool, weil man tatsächlich diesen sehr scharfen Cutoff sehen würde, was darauf hindeuten würde, dass sich ein Schwarzes Loch gebildet hat.“ Astronomen konnten dann Kataloge bekannter Sterne durchsuchen, um festzustellen, welcher verschwunden war. „Wenn Sie eine Leerstelle – einen fehlenden Stern – sehen, könnte dies der Ort eines neu gebildeten Schwarzen Lochs sein“, sagt Scholberg.

Das Trifecta zu vervollständigen wäre der erfolgreiche Nachweis von Gravitationswellen einer galaktischen Supernova. Gravitationswellen, die vor mehr als einem Jahrhundert von Einstein vorhergesagt wurden, sind Verzerrungen der Raumzeit, die entstehen, wenn ein massiver Körper beschleunigt wird. Sie wurden erstmals 2015 nachgewiesen. Die bisher aufgezeichneten Gravitationswellen wurden durch die Verschmelzung massereicher Objekte wie Schwarzer Löcher und Neutronensterne freigesetzt. Aber wenn schließlich eine Supernova in unserer Galaxie passiert, sollte auch das nachweisbar sein. Da Gravitationswellen vom Kern einer Supernova ausgehen würden, „werden sie uns Informationen darüber liefern, wie Sterne tatsächlich explodieren – was der Astronomie-Community bisher entgangen ist“, sagt David Radice, Astrophysiker an der Penn State University. Obwohl Astronomen seit Jahrzehnten Computersimulationen verwenden, um Supernova-Explosionen zu modellieren, sind viele Details noch immer kaum verstanden. Daten von Gravitationswellen könnten helfen, den Prozess zu beleuchten, sagt Radice.

Könnte eine Supernova in der Nähe eine Bedrohung für das Leben auf der Erde darstellen? Theoretisch ja – aber die Explosion müsste sehr nahe sein, und im Moment besteht für solche nahen Sterne keine Explosionsgefahr. Was gut ist, denn die Strahlungsexplosion einer nahe gelegenen Supernova wäre verheerend. Über einen Zeitraum von Wochen würde die Supernova ultraviolette Strahlen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen aussenden, die nicht unbedingt den Boden erreichen würden, aber dennoch die schützende Ozonschicht der Erde verwüsten würden, erklärt Fields. „Es würde uns also nicht in den Hulk verwandeln – aber es würde die Ozonschicht von der Stratosphäre entfernen“, sagt er. Ohne die Ozonschicht wäre die Erde von tödlicher ultravioletter Strahlung der Sonne überflutet; Dies könnte das Phytoplankton in den Ozeanen auslöschen, wobei sich die Auswirkungen in der Nahrungskette nach oben bewegen und möglicherweise zu einem Massensterben führen könnten, sagt Fields.

Ein solches Ereignis kann sich im Laufe der Geschichte unseres Planeten ereignet haben. Fields und seine Kollegen haben argumentiert dass ein Massensterben am Ende der Devon-Periode vor etwa 360 Millionen Jahren durch Supernova ausgelöst worden sein könnte: Sie stellen fest, dass Gesteine ​​​​aus dieser Zeit Pflanzensporen enthalten, die sonnenverbrannt erscheinen – als wären sie von ultravioletter Strahlung gesprengt worden.

Aber Supernovas zerstören nicht nur; sie schaffen auch. Astronomen und Physiker weisen darauf hin, dass viele der schweren Elemente, von denen wir abhängig sind – der Sauerstoff, den wir atmen, das Kalzium in unseren Knochen, das Eisen in unserem Blut – ihren Ursprung in den Kernreaktionen haben, die sich tief in explodierenden Sternen abspielen und sich im Weltraum ausbreiten dank der Druckwellen, die sie erzeugen. Wie Carl Sagan es berühmt ausdrückte: „Wir sind aus Star-Zeug gemacht.“ Was bedeutet, dass für Astronomen wie Fields eine Supernova das ultimative Geschenk des Himmels wäre. „Ich würde es lieben, wenn es zu meinen Lebzeiten eine galaktische Supernova in der Milchstraße geben würde“, sagt er.

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