Supernovae gehören zu den wichtigsten Werkzeugen der modernen Astronomie. Wenn ein massereicher Stern explodiert, strahlt er für kurze Zeit so hell, dass er sogar seine Heimatgalaxie übertreffen kann. Forschende nutzen solche Explosionen daher als kosmische Messpunkte, um Entfernungen zu bestimmen oder physikalische Modelle zu überprüfen.
Ein internationales Team hat nun jedoch eine Supernova entdeckt, deren Lichtsignal ungewöhnliche Eigenschaften zeigt. Die Helligkeit des Ereignisses verändert sich rhythmisch – und die Abstände zwischen den Ausschlägen werden mit der Zeit immer kürzer. Forschende sprechen von einem kosmischen „Zwitschern“. Die Beobachtung könnte erstmals zeigen, wie relativistische Effekte im Inneren einer Supernova sichtbar werden.
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Ungewöhnliche Schwankungen im Lichtsignal
Die Supernova mit der Bezeichnung SN 2024afav liegt etwa eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt. Entdeckt wurde sie Ende 2024 durch das automatische Himmelsüberwachungssystem ATLAS.
Normalerweise folgen Supernovae einem relativ einfachen Muster. Ihre Helligkeit steigt zunächst an, erreicht ein Maximum und nimmt anschließend wieder ab. Doch SN 2024afav verhielt sich anders.
Die Lichtkurve zeigte wiederkehrende Modulationen – kleine Ausschläge in der Helligkeit. Zudem verkürzte sich der zeitliche Abstand zwischen diesen Schwankungen zunehmend. Joseph Farah von der University of California in Santa Barbara bemerkte schnell, dass dieses Muster kaum zufällig sein konnte.
„Es gab einfach kein bestehendes Modell, das ein Muster von Unebenheiten erklären konnte, die mit der Zeit schneller werden“, sagte Farah.
„Ich begann darüber nachzudenken, wie dies geschehen könnte, da das Signal zu strukturiert schien, um auf zufällige Wechselwirkungen zurückzuführen zu sein.“
Das Muster erinnert an sogenannte Chirp-Signale. In der Astrophysik beschreibt dieser Begriff Signale, deren Frequenz mit der Zeit zunimmt. Ein ähnlicher Verlauf wurde bereits bei Gravitationswellen beobachtet. Im Fall der Supernova entsteht das Signal jedoch nicht durch Raumzeitwellen, sondern durch Veränderungen im Licht der Explosion.
Superleuchtkräftige Supernovae geben Rätsel auf
SN 2024afav gehört zu einer seltenen Klasse besonders heller Sternexplosionen: den superleuchtkräftigen Supernovae.
Diese Ereignisse können zehn- bis hundertmal heller sein als gewöhnliche Supernovae. Seit ihrer Entdeckung diskutieren Forschende darüber, welche Energiequelle hinter dieser enormen Strahlungsleistung steckt.
Zwei Erklärungsansätze gelten als besonders wahrscheinlich:
- Energiezufuhr durch einen jungen Neutronenstern
- Wechselwirkungen der Explosion mit dichten Gaswolken rund um den Stern
Beide Szenarien können viele Beobachtungen erklären. Doch die rhythmischen Schwankungen der Helligkeit passen nicht vollständig in diese Modelle.
Ein Magnetar im Zentrum
Farah entwickelte deshalb ein Modell, bei dem ein Magnetar die zentrale Rolle spielt. Magnetare sind extrem kompakte Neutronensterne mit Magnetfeldern, die zu den stärksten im Universum gehören. Gleichzeitig rotieren sie häufig sehr schnell.
Nach der Explosion könnte ein Teil des ausgestoßenen Materials wieder zurückfallen und eine sogenannte Akkretionsscheibe um den Magnetar bilden. Diese Scheibe besteht aus heißem Gas und Trümmern der Explosion. Hier kommt ein Effekt ins Spiel, der aus der Allgemeinen Relativitätstheorie bekannt ist.
Wenn rotierende Sterne die Raumzeit mitziehen
Rotierende massereiche Objekte können laut Einsteins Theorie die Raumzeit in ihrer Umgebung mitziehen. Physikerinnen und Physiker sprechen vom Lense-Thirring-Effekt oder Frame-Dragging.
In Farahs Modell führt dieser Effekt dazu, dass die Akkretionsscheibe leicht kippt und zu taumeln beginnt. Während sie präzediert, verändert sich der Blickwinkel auf die energiereiche Strahlung des Magnetars.
Für Beobachtende auf der Erde erscheint das als periodisches Pulsieren der Helligkeit. Mit der Zeit bewegt sich das Material der Scheibe nach innen. Dadurch wird die Präzession schneller. Genau dieses Verhalten erzeugt das beobachtete „Zwitschern“ der Supernova.
Alternative Modelle getestet
Das Forschungsteam untersuchte mehrere mögliche Erklärungen für die beobachteten Schwankungen. Dazu gehörten klassische physikalische Effekte ebenso wie Präzessionen durch Magnetfelder. Doch nur ein Modell passte vollständig zu den Daten.
„Wir haben mehrere Ideen getestet, darunter rein newtonsche Effekte und die durch die Magnetfelder des Magnetars verursachte Präzession, aber nur die Lense-Thirring-Präzession passte zeitlich perfekt“, erklärte Farah. „Es ist das erste Mal, dass die Allgemeine Relativitätstheorie herangezogen wurde, um die Mechanik einer Supernova zu beschreiben.“
Globale Teleskope lieferten entscheidende Daten
Die Analyse basierte auf einem internationalen Netzwerk automatisierter Teleskope. Eine zentrale Rolle spielte das Las Cumbres Observatory (LCO) in Kalifornien.
Die Instrumente beobachteten das Ereignis mehr als 200 Tage lang. Während dieser Zeit passte das Team seine Beobachtungsstrategie laufend an, um selbst kleine Schwankungen der Helligkeit zu erfassen.
„Die einzigartig unverfälschten und hochkadenzigen LCO-Daten ermöglichten es uns, zukünftige Ausschläge vorherzusagen“, sagte Farah. „Als sich die Vorhersagen zu bewahrheiten begannen, wussten wir, dass wir etwas Besonderes beobachteten.“
Neue Beobachtungen am Horizont
Für die Forschung könnte SN 2024afav erst der Anfang sein. In den kommenden Jahren wird das Vera C. Rubin Observatory in Chile mit seiner groß angelegten Himmelsdurchmusterung beginnen. Das Teleskop soll jede Nacht enorme Datenmengen sammeln und Millionen neuer Himmelsobjekte erfassen.
Dadurch könnten künftig viele weitere Supernovae entdeckt werden – möglicherweise auch weitere Ereignisse mit ähnlichen Signalen. Joseph Farah blickt deshalb optimistisch auf die kommenden Jahre der Beobachtung: „Das Universum sagt uns laut und deutlich, dass wir es noch nicht vollständig verstehen, und fordert uns heraus, es zu erklären.“
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