Das Anzünden der „Standardkerze“ markiert einen neuen Durchbruch in der Supernova-Forschung vom Typ Ia!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zhao Weitao (Yunnan Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Supernovas vom Typ Ia, bekannt als „Standardkerzen“, spielen eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung der Expansionsrate des Universums und der Bestätigung des Feldes der dunklen Energie.

Ultraweiche Röntgenquelle, der wahrscheinlichste Vorläufer einer Supernova vom Typ Ia. Das Studium dieser Erkenntnisse wird für unsere entsprechende Forschung eine große Hilfe sein. Der Ursprung seiner quasiperiodischen Lichtkurve ist jedoch weiterhin unbekannt.

Es ist erfreulich, dass Forschern des Yunnan-Observatoriums der Chinesischen Akademie der Wissenschaften kürzlich ein neuer Durchbruch in der Erforschung ultraweicher Röntgenquellen gelungen ist.

Die mysteriöse „dunkle Energie“, die das Universum beherrscht

In den letzten Jahren hat die Forschung zur Dunklen Energie die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern aus aller Welt auf sich gezogen. „Dunkle Materie“ und „Dunkle Energie“ könnten die zentralen Forschungsrichtungen der zukünftigen Wissenschaft werden.

Dunkle Energie, diese mysteriöse kosmische Energie, die mysteriöser und unverständlicher ist als dunkle Materie, könnte der Schlüsselfaktor für die beschleunigte Expansion des Universums sein!

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Noch schockierender ist die Tatsache, dass Wissenschaftler auf der ganzen Welt allgemein davon ausgehen, dass diese unsichtbare und immaterielle dunkle Energie eine beherrschende Stellung im Universum einnimmt. Laut einer Ende 2020 im Astrophysical Journal veröffentlichten Studie besteht das Universum aus dunkler Energie und verschiedenen anderen Substanzen, wobei die dunkle Energie 69 % und die verschiedenen Substanzen 31 % ausmachen. Darüber hinaus besteht diese Substanz zu 80 % aus Dunkler Materie. Konventionelle Materie wie andere Sterne, Galaxien, Staub und Gas, die den Menschen bekannt sind, macht lediglich 20 % aus.

Mit anderen Worten: Fast 70 % des Universums sind noch immer ein mysteriöser Bereich, über den die Menschheit nichts weiß.

Da sich Dunkle Energie bislang nicht direkt beobachten lässt, können Wissenschaftler nur indirekt auf ihre Existenz schließen.

Wie wurde also die Existenz dunkler Energie bestätigt? Wenn Sie mehr über dunkle Energie erfahren möchten, müssen Sie diese Schlüsselwörter kennen: kosmische Expansion, kosmologische Konstante und Supernova vom Typ Ia.

Die kosmologische Konstante und Einsteins „größter Fehler“

Ist das Universum ewig und unveränderlich? Von der Antike bis zur Gegenwart gab es in den Bereichen Physik, Mathematik, Astronomie und sogar Philosophie unterschiedliche Ansichten zu diesem Thema. Sogar Newton und Einstein hatten jeweils ihre eigene, einzigartige Sicht des Universums, um ihr Verständnis der „Ewigkeit“ des Universums zu erklären.

(Bildquelle: pixabay)

Einstein schlug einst ein Modell des „endlichen, unbegrenzten statischen Universums“ vor: Er glaubte, dass sich das Universum ab einer bestimmten kosmischen Größenordnung (beispielsweise 100 Millionen Lichtjahre) im Laufe der Zeit nicht mehr verändern wird. Für diese Theorie führte er sogar die „kosmologische Konstante Λ“ in die Gravitationsfeldgleichung der allgemeinen Relativitätstheorie ein, um diesen Standpunkt zu untermauern. Die „kosmologische Konstante Λ“ geht davon aus, dass der Raum selbst über eine intrinsische Energie verfügt, die die Gravitationskraft der Materie im großen Maßstab ausgleicht und so sicherstellt, dass das Universum stationär ist.

Doch etwa zehn Jahre später wurde diese Ansicht „widerlegt“. Durch Beobachtungen und basierend auf der linearen Beziehung zwischen der Rotverschiebung von Galaxienspektren und der Entfernung, allgemein bekannt als Hubble-Gesetz, bestätigte der amerikanische Astronom Edwin Hubble offiziell, dass das von Einstein vorgeschlagene statische Universumsmodell nicht der tatsächlichen Situation entspricht und dass sich das Universum ausdehnt. Es gibt sogar Gerüchte, dass Einstein die kosmologische Konstante Λ als den „größten Fehler“ seines Lebens bezeichnet hat.

Tatsächlich konnte die Gravitationsfeldgleichung vor der Einführung der „kosmologischen Konstante Λ“ vorhersagen, dass sich ein instabiles Universum ausdehnen oder zusammenziehen könnte.

Einsteins Gravitationsfeldgleichungen vor und nach der Einführung der „kosmologischen Konstante Λ“

Gemäß Newtons Gesetz der universellen Gravitation sollte der durch den Urknall erzeugte Aufprall die Ausdehnung des Universums unter dem Einfluss und der Einschränkung der Schwerkraft allmählich verlangsamen, bis ein stabiles Gleichgewicht erreicht ist. Doch im Jahr 2011 entdeckten Nobelpreisträger für Physik, dass sich die Ausdehnung des Universums beschleunigt.

Nach einer Reihe von Beobachtungen und Berechnungen haben Wissenschaftler gezeigt, dass es im Universum eine mysteriöse Kraft geben muss, die der Richtung der Schwerkraft entgegengerichtet ist (Antigravitationskraft), die von Menschen bisher noch nicht entdeckt wurde!

Die Physikergemeinschaft nennt diese mysteriöse, der Schwerkraft entgegengesetzte Kraft, die den Menschen noch immer unbekannt ist, „Dunkle Energie“ und glaubt, dass es diese „Dunkle Energie“ ist, die die schnelle Ausdehnung des Universums und die schnelle Bewegung von Galaxien und Himmelskörpern von uns weg verursacht. Von diesem Zeitpunkt an wurde der kausale Zusammenhang zwischen dunkler Energie und der Ausdehnung des Universums allmählich deutlich, da die Menschen diesem Phänomen mehr Aufmerksamkeit schenkten.

Um die dunkle Energie zu knacken, wurde die „kosmologische Konstante“ wiederbelebt?

Mit der Entdeckung der Dunklen Energie ist Einsteins kosmologische Konstante, die der Schwerkraft entgegenwirkt, erneut zu einem heißen Diskussionsthema geworden. Da die kosmologische Konstante oder dunkle Energie existiert, wirkt sie nicht nur der Schwerkraft im Universum entgegen, sondern beeinflusst auch die Expansionsrate des Universums. Lag Einstein damals wirklich falsch?

Die Antwort ist ja. Obwohl die dunkle Energie die Hauptursache für die Ausdehnung des Universums ist, führte Einstein die kosmologische Konstante damals nur ein, um zu beweisen, dass das Universum statisch ist. Gleichzeitig beweist die kosmologische Konstante auch, dass Einsteins statisches Universumsmodell überhaupt nicht korrekt ist.

Die moderne Wissenschaft basiert auf strenger Beobachtung und Berechnung. Nach einer Reihe von Wendungen hat die kosmologische Konstante, die in der Zeit wieder aufersteht, eine neue Bedeutung angenommen.

Im aktuellen Standardmodell der Kosmologie ΛCDM beziehen sich die Gleichungen zur Beschreibung des Zustands des Universums hauptsächlich auf drei kosmologische Parameter, nämlich den kosmologischen Dichteparameter ΩM, die kosmologische Normalisierungskonstante ΩΛ und die Hubble-Konstante H0. Die beiden in der Formel enthaltenen Hauptvariablen – der kosmologische Dichteparameter und die Hubble-Konstante – sind beide entscheidend.

Wie der Name schon sagt, ist dunkle Energie die mysteriöse Energie im Universum, die wir nicht sehen können. Da dunkle Energie nicht direkt beobachtet werden kann, wie berechnen Wissenschaftler den Wert der kosmologischen Konstante? Die Antwort lautet: Wissenschaftler beobachten die Rotverschiebungs- und Helligkeitsinformationen entfernter Supernovae vom Typ Ia, nehmen verschiedene Modelle der kosmologischen Konstante an und passen die Beobachtungen dann an, um eine relativ genaue kosmologische Konstante zu messen.

Standardmodell der Kosmologie

(Bildquelle: Wikipedia)

Mit anderen Worten: Astronomen schätzen den Wert der kosmologischen Konstante auf der Grundlage von Beobachtungen entfernter Supernovas und Schwankungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung.

Darüber hinaus hängt die Berechnung der kosmologischen Konstante eng mit der Häufigkeit schwerer Metallelemente im Universum zusammen. Aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die meisten Schwermetallelemente (schwerer als Eisen) im Universum aus Supernova-Explosionen stammen. Supernova-Explosionen schleudern Materie ins Universum, darunter auch Schwermetalle, die für die Entstehung von Galaxien, Sternhaufen, Sternen und Planeten wichtig sind.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Eigenschaften der Dunklen Energie aus der kosmologischen Konstante abgeleitet werden können, die aus Beobachtungen von Supernovae vom Typ Ia berechnet werden kann.

Unter allen Supernova-Typen gibt es einen Typ, der für Astronomen ein wichtiges Instrument zur Beobachtung der Ausdehnung des Universums darstellt. Es handelt sich um eine Supernova vom Typ Ia, die wir gleich erwähnen werden.

Supernovae vom Typ Ia: ein Hoffnungsschimmer für die Erforschung der Expansion des Universums

Man kann sagen, dass Supernovas vom Typ Ia die „heißen Player“ in der gegenwärtigen internationalen astronomischen Gemeinschaft sind. Wenn die entsprechende akademische Community über eine Liste mit stark gesuchten Themen verfügt, wird dieses Thema auf jeden Fall auf der Liste stehen.

Supernovas vom Typ Ia weisen in ihrem Spektrum keine Wasserstoff- und Heliumlinien auf und haben im Wesentlichen die gleiche Spitzenleuchtkraft, weshalb sie auch als „Standardkerzen“ bezeichnet werden. Anhand der unterschiedlichen Leuchtkraft von Supernovas des Typs Ia, die auf der Erde beobachtet wurden, können wir ihre Entfernung von uns bestimmen.

Basierend auf diesem Prinzip beobachteten Wissenschaftler die Lichtkurve und den Rotverschiebungswert von Supernovas vom Typ Ia und entdeckten, dass sich Supernovas vom Typ Ia immer weiter von uns entfernen und dabei eine zunehmend höhere Geschwindigkeit erreichen – das heißt, dass sich das Universum mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt. Die unbekannte Kraft, die die beschleunigte Expansion des Universums antreibt, ist die „Dunkle Energie“.

Die Rolle der Nova vom Typ Ia, einer „Berühmtheit“ in der Welt der Astronomie, ist ebenfalls sehr wichtig – bei der Berechnung der Hubble-Konstante H0 und der kosmologischen Parameter ΩM und ΩΛ müssen die Menschen Informationen kennen wie beispielsweise die Geburtsrate von Supernovae vom Typ Ia, die eng mit den Vorläufersternen von Supernovae vom Typ Ia zusammenhängt; Die Evolution von Galaxien erfordert außerdem die Nukleosynthese von Supernovae vom Typ Ia, die kinetische Energie von Auswurfmassen und Strahlung als physikalische Inputs. Durch die Simulation und das Verständnis des Explosionsmodells von Supernovas vom Typ Ia können wir die Anfangsbedingungen vor der Explosion sowie die Umgebung zum Zeitpunkt der Explosion ermitteln. Die Identifizierung der Vorläufersterne von Supernovas vom Typ Ia kann sinnvolle Einschränkungen für die Theorie der Doppelsternentwicklung liefern.

Wenn wir möchten, dass Supernovae vom Typ Ia eine größere Rolle in der Forschung spielen, müssen wir daher die Vorläufersterne von Supernovae vom Typ Ia im Detail verstehen. Doch bislang ist das Vorläufersternmodell von Supernovas vom Typ Ia noch unklar.

Das „vorherige Leben“ von Typ-Ia-Supernovas und ultraweichen Röntgenquellen

In den letzten Jahrzehnten wurden viele Theorien über die Vorläufersterne von Supernovae vom Typ Ia vorgeschlagen, von denen das Modell des entarteten Einzelsterns und das Modell des entarteten Doppelsterns derzeit die beiden gängigsten Modelle sind.

Schematische Darstellung zweier Vorläufersternmodelle

Links: Modell eines einzelnen entarteten Sterns; Rechts: Modell eines doppelt entarteten Sterns.

(Bildquelle: NASA)

Das Doppelsternmodell entarteter Sterne bezieht sich auf zwei CO-Weiße Zwerge, die umeinander rotieren, dabei aufgrund der Gravitationswellenstrahlung kontinuierlich an Drehimpuls verlieren und schließlich zu einem neuen CO-Weißen Zwerg verschmelzen. Wenn die Gesamtmasse nach der Verschmelzung die Chandrasekhar-Massengrenze überschreitet, kommt es zu einer Supernova-Explosion vom Typ Ia.

Das Modell eines einzelnen entarteten Sterns bezieht sich auf einen CO-Weißen Zwerg und einen Begleitstern. Der Begleitstern kann ein Hauptreihenstern, ein Roter Riese oder ein Heliumstern sein. Der Weiße Zwerg akkumuliert Materie vom Begleitstern, verbrennt wasserstoffreiche Materie auf seiner Oberfläche und vergrößert so kontinuierlich seine eigene Masse. Wenn die Masse die Chandrasekhar-Massengrenze erreicht, kommt es zu einer thermonuklearen Explosion.

Beide Modelle haben sowohl theoretisch als auch in Bezug auf Beobachtungen einige Vor- und Nachteile, sodass es immer noch Kontroversen darüber gibt, welches Modell der Vorläufer einer Supernova vom Typ Ia ist. Das Spektrum und die Lichtkurve, die mit dem Modell eines einzelnen entarteten Sterns berechnet wurden, stehen jedoch in guter Übereinstimmung mit den Beobachtungen und können als gängigeres Modell des Vorläufersterns einer Supernova vom Typ Ia angesehen werden.

Das wahrscheinlichste Vorgängersternsystem des derzeit anerkannten Modells eines einzelnen entarteten Sterns ist die ultraweiche Röntgenquelle. Allerdings ist in der aktuellen Forschung zu ultraweichen Röntgenquellen der Ursprung der quasiperiodischen Lichtkurve noch immer unklar, was wiederum ein Hindernis für die Untersuchung der Vorläufer von Supernovas vom Typ Ia darstellt.

Neue Forschungsfortschritte bringen „einen Hoffnungsschimmer“

Man kann stolz darauf sein, dass dank der Bemühungen von Forschern des Yunnan-Observatoriums der Chinesischen Akademie der Wissenschaften kürzlich ein neuer Durchbruch bei dem schwierigen Problem der „quasiperiodischen Lichtkurven bei der Untersuchung ultraweicher Röntgenquellen“ erzielt wurde!

Ultraweiche Röntgenquellen sind ein besonderer Typ enger Doppelsternsysteme mit akkretierenden und thermonuklear brennenden Weißen Zwergen. Die ultraweiche Röntgenquelle besteht aus einem Weißen Zwerg und einem massereichen Hauptreihen-Begleitstern. Der Weiße Zwerg akkumuliert Materie vom Begleitstern und brennt stabil. Die Lichtkurve der ultraweichen Röntgenquelle zeigt quasiperiodische Veränderungen von abwechselnd hell und dunkel.

Beobachtungen zufolge weisen ultraweiche Röntgenquellen eine sehr helle Schwarzkörperstrahlungsleuchtkraft auf, ihre Röntgenspektren sind jedoch sehr weich. Bei typischen Quellen liegt der Peak bei etwa 20–80 eV und ihre Schwarzkörperstrahlungstemperatur beträgt 105–106 K. Der Begleitstern ist normalerweise ein Hauptreihenstern oder ein Unterriese mit Umlaufzeiten von einigen Stunden bis zu einigen Tagen. Die Ursache dieser quasiperiodischen Variation der Lichtkurve ultraweicher Röntgenquellen bleibt jedoch unklar.

Zu diesem Zweck schlugen unsere Forscher vor, dass der Begleitstern regelmäßig mit ultraweichen Röntgenstrahlen bestrahlt wird, wodurch dieser sich periodisch ausdehnt und zusammenzieht. Daher nimmt die Materietransferrate des Doppelsterns periodisch zu und ab, was dazu führt, dass sich die Photosphäre des Weißen Zwergs periodisch ausdehnt und zusammenzieht, was die Lichtkurve der ultraweichen Röntgenquelle gut reproduziert!

Schematische Darstellung der Entwicklung des Begleitsternmodells unter Bestrahlung mit ultraweichen Röntgenstrahlen

(Bildnachweis: Gezeichnet von Zhao Weitao)

Die Forschungsergebnisse bieten nicht nur eine neue Möglichkeit, den Ursprung quasiperiodischer Lichtkurven in ultraweichen Röntgenquellen zu erklären, sondern liefern auch neue Forschungsideen für die Untersuchung von Supernova-Vorläufern des Typs Ia. Die entsprechenden Ergebnisse wurden kürzlich in Astronomy & Astrophysics (A&A) unter dem Titel „A robust model for the origin of optical quasi-periodic variability in supersoft X-ray sources“ veröffentlicht.

Abschluss

Obwohl die Erforschung der Dunklen Energie bereits seit über 20 Jahren im Gange ist, können Wissenschaftler noch immer nicht genau sagen, was es damit auf sich hat. Der Teil des riesigen Universums, den die Menschheit entdeckt und verstanden hat, ist immer noch nur die Spitze des Eisbergs. Doch mit den anhaltenden Bemühungen aller Wissenschaftler wird die Menschheit auch weiterhin ihre Weisheit nutzen, um unbekannte Gebiete zu erforschen, die Zukunft zu berechnen und darüber zu spekulieren und weiterhin nach Antworten zu suchen.

Ich bin überzeugt, dass chinesische Wissenschaftler mit ihrer rigorosen und wissenschaftlichen Herangehensweise auch weiterhin Durchbrüche auf dem Gebiet der astronomischen Erforschung erzielen werden und dass die ungelösten Rätsel schließlich ans Licht kommen werden.

Herausgeber: Guo Yaxin