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Das Supernova-Ereignis kann jederzeit in unserer Heimatgalaxie stattfinden

WISSENSCHAFTENASTRONOMIE & RAUMWISSENSCHAFTDas Supernova-Ereignis kann jederzeit in unserer Heimatgalaxie stattfinden

In kürzlich veröffentlichten Arbeiten haben Forscher die Rate des Zusammenbruchs von Supernovakernen in der Milchstraße auf 1.63 ± 0.46 Ereignisse pro Jahrhundert geschätzt. Angesichts der Tatsache, dass das letzte Supernova-Ereignis, SN 1987A, vor 35 Jahren im Jahr 1987 beobachtet wurde, kann das nächste Supernova-Ereignis in der Milchstraße jederzeit in naher Zukunft erwartet werden. 

Lebenslauf eines Sterns & Supernova  

Auf der Zeitskala von Milliarden Jahren Sterne durchlaufen einen Lebenslauf, sie werden geboren, altern und sterben schließlich durch Explosion und anschließende Ausbreitung von Sternenmaterial in den interstellaren Raum als Staub oder Wolke.  

Das Leben eines Sterns beginnt in einem Nebel (einer Wolke aus Staub, Wasserstoff, Helium und anderen ionisierten Gasen), wenn der Gravitationskollaps einer riesigen Wolke einen Protostern entstehen lässt. Dieses wächst unter Anreicherung von Gas und Staub immer weiter an, bis es seine endgültige Masse erreicht. Die endgültige Masse des Sterns bestimmt seine Lebensdauer sowie das, was mit dem Stern während seines Lebens passiert.  

Alle Sterne beziehen ihre Energie aus der Kernfusion. Der im Kern brennende Kernbrennstoff erzeugt aufgrund der hohen Kerntemperatur einen starken Druck nach außen. Dadurch wird die nach innen gerichtete Gravitationskraft ausgeglichen. Das Gleichgewicht wird gestört, wenn der Brennstoff im Kern zur Neige geht. Die Temperatur sinkt, der äußere Druck nimmt ab. Infolgedessen wird die Gravitationskraft des nach innen gerichteten Zusammendrückens dominant und zwingt den Kern, sich zusammenzuziehen und zusammenzubrechen. Wie ein Stern nach dem Kollaps letztendlich aussieht, hängt von der Masse des Sterns ab. Im Fall von supermassereichen Sternen, wenn der Kern in kurzer Zeit kollabiert, erzeugt er enorme Schockwellen. Die mächtige, leuchtende Explosion wird Supernova genannt.  

Dieses vorübergehende astronomische Ereignis tritt während der letzten Evolutionsstufe eines Sterns auf und hinterlässt Supernova-Überreste. Abhängig von der Masse des Sterns könnte der Überrest ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch sein.   

SN 1987A, die letzte Supernova  

Das letzte Supernova-Ereignis war SN 1987A, das vor 35 Jahren im Februar 1987 am Südhimmel gesehen wurde. Es war das erste derartige Supernova-Ereignis, das seit Keplers 1604 mit bloßem Auge sichtbar war. Es befindet sich in der nahe gelegenen Großen Magellanschen Wolke (einer Satellitengalaxie der Milchstraße), einer der hellsten explodierenden Sterne seit mehr als 400 Jahren, der mehrere Monate lang mit der Kraft von 100 Millionen Sonnen strahlte und eine einzigartige Gelegenheit bot, die Phasen vor, während und nach dem Tod eines Sterns zu studieren.  

Das Studium der Supernova ist wichtig  

Das Studium der Supernova ist in mehrfacher Hinsicht hilfreich, wie z. B. das Messen von Entfernungen im Weltraum, das Verständnis des expandierenden Universums und der Natur der Sterne als Fabriken aller Elemente, die alles (einschließlich uns) im Universum ausmachen. Die schwereren Elemente, die durch Kernfusion (leichtere Elemente) im Kern von Sternen entstanden sind, sowie die beim Kernkollaps neu entstandenen Elemente werden während der Supernova-Explosion im Raum verteilt. Die Supernovae spielen eine Schlüsselrolle bei der Verteilung von Elementen im gesamten Universum.  

Leider gab es in der Vergangenheit nicht viel Gelegenheit, die Explosion einer Supernova genau zu beobachten und zu studieren. Eine genaue Beobachtung und Untersuchung der Supernova-Explosion in unserer Heimatgalaxie Milchstraße wäre bemerkenswert, da die Untersuchung unter diesen Bedingungen niemals in Laboratorien auf der Erde durchgeführt werden könnte. Daher die Notwendigkeit, die Supernova zu erkennen, sobald sie beginnt. Aber wie wird man wissen, wann eine Supernova-Explosion beginnen wird? Gibt es ein Frühwarnsystem für die Verhinderung einer Supernova-Explosion?  

Neutrino, das Leuchtfeuer der Supernova-Explosion  

Gegen Ende des Lebenslaufs, wenn einem Stern die leichteren Elemente als Brennstoff für die Kernfusion, die ihn antreibt, ausgehen, dominiert der nach innen gerichtete Gravitationsschub und die äußeren Schichten des Sterns beginnen nach innen zu fallen. Der Kern beginnt zu kollabieren und in wenigen Millisekunden wird der Kern so komprimiert, dass sich Elektronen und Protonen zu Neutronen verbinden und für jedes gebildete Neutron ein Neutrino freigesetzt wird.  

Die so gebildeten Neutronen bilden einen Proto-Neutronenstern im Kern des Sterns, auf den der Rest des Sterns unter einem intensiven Gravitationsfeld herunterfällt und zurückprallt. Die erzeugte Schockwelle löst den Stern auf und hinterlässt den einzigen remanenten Kern (ein Neutronenstern oder ein schwarzes Loch, abhängig von der Masse des Sterns) und der Rest der Masse des Sterns verteilt sich im interstellaren Raum.  

Der enorme Ausbruch von Neutrinos Als Ergebnis des Gravitationskernkollaps erzeugt, entweichen sie ungehindert in den Weltraum, da sie nicht mit Materie interagieren. Ungefähr 99 % der Gravitationsbindungsenergie entweicht als Neutrinos (vor Photonen, die im Feld gefangen sind) und wirkt als Leuchtfeuer einer hemmenden Supernova-Explosion. Diese Neutrinos können auf der Erde von den Neutrino-Observatorien eingefangen werden, die wiederum als Frühwarnung für eine mögliche baldige optische Beobachtung einer Supernova-Explosion dienen.  

Die austretenden Neutrinos bieten auch ein einzigartiges Fenster zu extremen Ereignissen innerhalb eines explodierenden Sterns, was Auswirkungen auf das Verständnis der fundamentalen Kräfte und Elementarteilchen haben könnte.  

Supernova Frühwarnsystem (SNEW)  

Zum Zeitpunkt der letzten beobachteten Kernkollaps-Supernova (SN1987A) wurde das Phänomen mit bloßem Auge beobachtet. Die Neutrinos wurden von zwei Wasser-Cherenkov-Detektoren, Kamiokande-II und dem Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB)-Experiment, das 19 Neutrino-Wechselwirkungsereignisse beobachtet hatte, nachgewiesen. Der Nachweis von Neutrinos könnte jedoch als Leuchtfeuer oder Alarm dienen, um die optische Beobachtung der Supernova zu verhindern. Infolgedessen konnten verschiedene Observatorien und Astronomen nicht rechtzeitig handeln, um Daten zu untersuchen und zu sammeln.  

Seit 1987 hat sich die Neutrinoastronomie stark weiterentwickelt. Jetzt ist das Supernova-Warnsystem SNWatch installiert, das so programmiert ist, dass es Experten und relevante Organisationen über eine mögliche Supernova-Sichtung alarmiert. Und es gibt ein Netzwerk von Neutrino-Observatorien auf der ganzen Welt, genannt Supernova Early Warning System (SNEWS), die Signale kombinieren, um das Vertrauen in eine Entdeckung zu verbessern. Jede übliche Aktivität wird von individuellen Detektoren an einen zentralen SNEWS-Server gemeldet. Darüber hinaus wurde SNEWS kürzlich auf SNEWS 2.0 aktualisiert, was ebenfalls weniger zuverlässige Warnungen erzeugt.  

Unmittelbare Supernova in der Milchstraße   

Auf der ganzen Welt verteilte Neutrino-Observatorien zielen auf den ersten Nachweis von Neutrinos ab, die durch den Gravitationskernkollaps der Sterne in unserer Heimatgalaxie entstehen. Ihr Erfolg hängt daher stark von der Rate des Zusammenbruchs des Supernovakerns in der Milchstraße ab. 

In kürzlich veröffentlichten Arbeiten haben Forscher die Rate des Zusammenbruchs von Supernovakernen in der Milchstraße auf 1.63 ± 0.46 Ereignisse pro 100 Jahre geschätzt; ungefähr ein bis zwei Supernovae pro Jahrhundert. Darüber hinaus deuten Schätzungen darauf hin, dass das Zeitintervall zwischen einer Kernkollaps-Supernova in der Milchstraße zwischen 47 und 85 Jahren liegen könnte.  

Angesichts der Tatsache, dass das letzte Supernova-Ereignis, SN 1987A, vor 35 Jahren beobachtet wurde, kann das nächste Supernova-Ereignis in der Milchstraße jederzeit in naher Zukunft erwartet werden. Mit den vernetzten Neutrino-Observatorien zur Erkennung der frühen Ausbrüche und dem verbesserten Supernova-Frühwarnsystem (SNEW) werden die Wissenschaftler in der Lage sein, die nächsten extremen Ereignisse im Zusammenhang mit der Supernova-Explosion eines sterbenden Sterns genau zu beobachten. Dies wäre ein bedeutsames Ereignis und eine einzigartige Gelegenheit, die Phasen vor, während und nach dem Tod eines Sterns zu studieren, um das Universum besser zu verstehen.  

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Quellen:  

  1. Die Feuerwerksgalaxie NGC 6946: Was macht diese Galaxie so besonders? Wissenschaftlicher Europäer. Veröffentlicht am 11. Januar 2021. Verfügbar unter https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fireworks-galaxy-ngc-6946-what-make-this-galaxy-so-special/  
  1. Scholberg K. 2012. Supernova-Neutrino-Erkennung. Vordruck axRiv. Verfügbar um https://arxiv.org/pdf/1205.6003.pdf  
  1. Kharusi S Al, et al 2021. SNEWS 2.0: ein Supernova-Frühwarnsystem der nächsten Generation für die Multi-Messenger-Astronomie. New Journal of Physics, Band 23, März 2021. 031201. DOI: https://doi.org/10.1088/1367-2630/abde33 
  1. Rozwadowskaab K., Vissaniab F. und Cappellaroc E., 2021. Über die Rate von Kernkollaps-Supernovae in der Milchstraße. New Astronomy Volume 83, Februar 2021, 101498. DOI: https://doi.org/10.1016/j.newast.2020.101498. Preprint axRiv erhältlich unter https://arxiv.org/pdf/2009.03438.pdf  
  1. Murphey, CT, et al 2021. Zeuge der Geschichte: Himmelsverteilung, Erkennbarkeit und Raten von Supernovae in der Milchstraße mit bloßem Auge. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Band 507, Ausgabe 1, Oktober 2021, Seiten 927–943, DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stab2182. Preprint axRiv Erhältlich bei https://arxiv.org/pdf/2012.06552.pdf 

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