Bildnachweis: Hubble
Ein neuer Artikel, der in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, hilft dabei, ein langjähriges Rätsel um einige der frühesten festen Teilchen im Universum zu lösen. In der Vergangenheit war heißer Staub gefunden worden, aber der kältere Staub war größtenteils unsichtbar - bis jetzt. Es scheint, dass Supernovae den Staub, der später Planeten, Felsen und Menschen bildet, äußerst effizient produzieren.
Wir haben gerade entdeckt, dass einige Supernovae schlechte Gewohnheiten haben - sie stoßen riesige Mengen Rauch aus, der als kosmischer Staub bekannt ist. Dies löst ein langjähriges Rätsel um die Entstehung von kosmischem Staub und legt nahe, dass Supernovae, die explodierende Sterne sind, für die Produktion der ersten festen Teilchen im Universum verantwortlich waren.
Die Hauptverdächtigen
Supernovae sind die heftigen Explosionen von Sternen, die am Ende ihres Lebens auftreten. Sie kommen ungefähr alle 50 Jahre in unserer Galaxie vor und es gibt zwei Haupttypen - Typ Ia und II. Typ II sind die Explosionen sehr massereicher Sterne mit einer Masse, die größer als das Achtfache der Sonnenmasse (Msun) ist. Diese Sterne leben schnell - sterben jung “und verbrauchen ihren Wasserstoff- und Heliumbrennstoff in nur wenigen Millionen Jahren, tausendmal schneller als die Sonne ihren Brennstoff verbrennt. Wenn die Brennstoffversorgung erschöpft ist, muss der Stern immer schwerere Elemente verbrennen, bis schließlich die inneren Teile des Sterns zusammenbrechen und einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch bilden und die äußeren Teile geschleudert werden In der Katastrophe nennen wir eine Supernova. Die enorme Explosion fegt das umgebende Gas in eine Hülle, die bei Röntgen-, optischen und Radiowellenlängen leuchtet und Stoßwellen durch die Galaxie sendet. Supernovae setzen in einem einzigen Moment mehr Energie frei, als die Sonne in ihrem gesamten Leben produzieren wird. Wenn der nächste massive Stern, Betelgeuse im Sternbild Orion, Supernova werden würde, wäre er (für kurze Zeit) heller als der Vollmond.
Der kosmische Rauchschutz
Interstellarer Staub besteht aus winzigen Partikeln festen Materials, die im Raum zwischen den Sternen herumschweben - mit Größen, die typischerweise dem von Zigarettenrauch entsprechen. Es ist nicht dasselbe wie der Staub, den wir in unseren Häusern aufräumen, und tatsächlich ist die Erde ein riesiger Klumpen kosmischen Staubes! Es ist dafür verantwortlich, etwa die Hälfte des von Sternen und Galaxien emittierten Lichts zu blockieren, und beeinflusst unsere Sicht auf das Universum zutiefst. Diese "staubige" Wolke hat jedoch einen Silberstreifen, da die Astronomen den Staub, der das gestohlene Sternenlicht ausstrahlt, mit speziellen Kameras "sehen" können, die für längere Wellenlängen im Infrarot (IR: 10 - 100 Mikrometer) und im Submillimeter (IR) ausgelegt sind. Sub-mm: 0,3 - 1 mm) Teil des elektromagnetischen Spektrums. Eine solche Kamera heißt SCUBA und befindet sich am James Clerk Maxwell Telescope in Hawaii. SCUBA ist ein in Großbritannien gebautes Instrument, das Lichtwellen bei Wellenlängen unter mm erfasst und Staub bis zu den am weitesten entfernten Sternen und Galaxien sehen kann.
Staubige Anfänge
Jüngste Beobachtungen mit SCUBA haben gezeigt, dass in Galaxien und Quasaren eine große Menge Staub vorhanden ist, als das Universum nur 1/10 seines gegenwärtigen Zeitalters war, lange bevor sich die Erde und das Sonnensystem gebildet hatten. Das Vorhandensein all dieses Staubes im fernen Universum hat einen großen Einfluss darauf, was Astronomen mit ihren riesigen optischen Teleskopen sehen können, da es die Menge an Sternenlicht begrenzt, die aus einer fernen Galaxie entweichen und auf der Erde gesehen werden kann.
Dass es zu einem so frühen Zeitpunkt so viele feste Teilchen im Universum gab, war eine große Überraschung für die Astronomen, da sie geglaubt hatten, dass Staub gegen Ende ihres Lebens hauptsächlich in kühlen Winden von roten Riesensternen gebildet wurde. Da es lange dauert, bis der Stern dieses Stadium seiner Entwicklung erreicht (die Sonne wird ungefähr 9 Milliarden Jahre dauern), hat es einfach nicht genug Zeit gegeben, um auf diese Weise so viel Staub zu erzeugen.
„Staub wurde unter den kosmischen Teppich gekehrt - seit Jahren wird er von Astronomen als störend empfunden, da er das Licht vor den Sternen verbirgt. Aber dann stellten wir fest, dass sich am Rande des Universums, in den frühesten Sternen und Galaxien, Staub befindet, und wir stellten fest, dass wir nicht einmal seinen grundlegenden Ursprung kannten “, erklärte Dr. Dunne.
Supernovae stellen auch große Mengen schwerer Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff her und werfen sie in den interstellaren Raum. Dies sind die Elemente, aus denen unser Körper besteht, und da sie auch die Elemente sind, aus denen Staubkörner bestehen, sind Supernovae seit langem ein Hauptverdächtiger im Geheimnis der Entstehung von kosmischem Staub. Da es nur wenige Millionen Jahre dauert, bis die massereichsten Sterne das Ende ihres Lebens erreichen und als Supernovae explodieren, könnten sie schnell genug Staub bilden, um zu erklären, was im frühen Universum zu sehen ist. Bis zur Arbeit dieses Teams wurden jedoch nur winzige Mengen Staub in Supernovae gefunden. Die Astronomen hatten eine rauchende Waffe, aber keinen „Rauch“.
Haley Morgan, eine Doktorandin in Cardiff, sagte: "Wenn Supernovae effiziente Staubfabriken wären, würden sie jeweils mehr als die Masse der Sonne in Staub produzieren."
"Wenn sich massive Sterne nach astronomischen Maßstäben im Handumdrehen zu Supernovae entwickeln, können sie leicht erklären, warum das frühe Universum so staubig erscheint", fügte Dr. Rob Ivison vom Royal Observatory Edinburgh hinzu.
Supernova Sleuths
Das Team aus Cardiff und Edinburgh nutzte SCUBA, um die Staubemissionen in den Überresten einer neuen Supernova zu untersuchen. Cassiopeia A ist der Überrest einer Supernova, die vor etwa 320 Jahren aufgetreten ist. Es befindet sich im Sternbild Cassiopeia, 11.000 Lichtjahre von der Erde entfernt und hat einen Durchmesser von etwa 10 Lichtjahren. Cas A ist die hellste Radioquelle am Himmel, daher ist es bei vielen Wellenlängen von der optischen bis zur Röntgenstrahlung gut untersucht. Die Bilder unten zeigen Cas A in den Bereichen Röntgen, optisch, Infrarot und Radio. Die Röntgenstrahlen folgen dem wirklich heißen Gas (10 Millionen Grad Kelvin), und die anderen Wellenlängen verfolgen Material bei: 10 000 Grad (optisch), heißem Staub bei 100 K (IR) und hochenergetischen Elektronen (Radio).
Obwohl Astronomen jahrzehntelang in Supernova-Überresten nach Staub gesucht hatten, hatten sie Instrumente verwendet, die nur recht warmen Staub erkennen konnten, wie im obigen ISO-Infrarotbild. SCUBA hat hier den Vorteil, dass es Staub sehen kann, der sehr kalt ist, und weil es bei längeren Wellenlängen unter mm arbeitet.
"So wie man einen Eisenpoker nur dann sehen kann, wenn er in einem Feuer leuchtet, kann man Staub mit Infrarotkameras nur sehen, wenn er wärmer als etwa 25 Kelvin ist, aber SCUBA kann ihn sehen, wenn er auch kälter ist." erklärte Dr. Steve Eales, Leser für Astrophysik an der Cardiff University.
Kalter harter Beweis
SCUBA fand eine große Menge Staub im Rest von Cas A, 1-4 mal mehr als die Masse der Sonne! Dies ist mehr als 1.000 Mal mehr als zuvor gesehen. Dies bedeutet, dass Cas A sehr effizient Staub aus den verfügbaren Elementen erzeugte. Die Temperatur des Staubes ist sehr niedrig, nur 18 Kelvin (-257 Grad Celsius), und dies ist der Grund, warum es noch nie zuvor gesehen wurde. Unten sind die zwei Sub-mm-Bilder von Cas A bei 850 und 450 Mikrometern, die mit SCUBA aufgenommen wurden. Sie können sehen, dass das linke Bild ein wenig wie das Radio oben aussieht, und dies liegt daran, dass die hochenergetischen Elektronen, die das Radiobild erzeugen, auch einen Teil ihrer Energie bei etwas kürzeren Wellenlängen emittieren - was die Sub-mm-Emission bei 850 Mikrometern verunreinigt. Das mittlere Bild befindet sich bei 450 Mikrometern, wo die Verunreinigung viel geringer ist, und daher stammt der größte Teil dieser Emission von kaltem Staub. Wenn wir die Verunreinigung entfernen, erhalten wir ein anderes Bild (rechts). Der gesamte Staub ist in der unteren Hälfte des Rests zu sehen und die beiden Sub-mm-Bilder sehen jetzt viel ähnlicher aus!
850 Mikrometer ohne Funkkontamination
"Das Rätsel ist, wie der Staub so kalt bleiben kann, wenn wir wissen, dass durch die Röntgenstrahlung, die er abgibt, Gas mit über einer Million Grad vorhanden ist", kommentierte Prof. Mike Edmunds, Leiter der Fakultät für Physik und Astronomie in Cardiff.
Der Staub hat auch andere Eigenschaften als der „alltägliche“ Staub in der Milchstraße und anderen Galaxien - er kann besser im Sub-mm-Bereich „leuchten“, vielleicht weil er noch sehr jung und relativ makellos ist. Wenn alle Supernovae so effizient Staub erzeugen könnten, wären sie die größten Staubfabriken in der Galaxis. Das Rauchen von Supernovae bietet eine Lösung für das Rätsel der riesigen Staubmengen im frühen Universum.
"Diese Beobachtungen geben uns einen verlockenden Einblick in die Entstehung der ersten festen Teilchen im Universum", sagte Haley Morgan.
Originalquelle: Pressemitteilung der Universität Cardiff
