13 Milliarden Jahre alt! Neuer Sterntyp – welche Geheimnisse kann er uns enthüllen?

Das Gold in unserer Galaxie könnte mit der Explosion magnetisch gyropolarer Supernovae zusammenhängen.

Wissenschaftler haben eine neue Art von Sternexplosion entdeckt, die Geheimnisse über die Ursprünge der Elemente in unserer 13 Milliarden Jahre alten Milchstraße enthüllen könnte.

Bildnachweis: NASA/Common Resources

Hinweis: Dieser Artikel wurde ursprünglich auf der Website „Dialogue“ veröffentlicht. Der Inhalt des Artikels stammt aus den Kommentaren und Erkenntnissen im Abschnitt „Expert Speak“ der „Space“-Website. Die beiden Autoren dieses Artikels: David Young ist Forscher an der School of Astronomy and Astrophysics der Australian National University; Gary da Costa ist Honorarprofessor für Astronomie an der Australian National University.

Bis vor kurzem glaubten Wissenschaftler, dass schwere Elemente (schwerer als Zink) nur durch die Verschmelzung von Neutronensternen entstehen könnten. Dieser Prozess findet statt, wenn sich die Überreste zweier massereicher Sterne in einem Doppelsternsystem miteinander verbinden.

Wir wissen jedoch, dass schwere Elemente kurz nach dem Urknall entstanden, als das Universum noch sehr jung war und noch nicht einmal der Prozess der Neutronensternverschmelzung stattgefunden hatte. Daher müssen wir einen anderen Grund finden, um den Ursprung der frühen Bildung schwerer Elemente in der Milchstraße zu erklären.

Ein alter Stern namens SMSS J2003-1142, der im Halo der Milchstraße (einer sphärischen Region, die die Milchstraße umgibt) entdeckt wurde, bietet den ersten möglichen alternativen Weg für die Bildung schwerer Elemente, darunter Uran und sogar Gold.

Um unsere Milchstraße herum befindet sich ein galaktischer Halo aus heißem Gas. Es entsteht aus der Materie, die von Sternen ausgestoßen wird, die in der Milchstraße ständig entstehen und vergehen. Die Sterne im galaktischen Halo machen nur 1 % der Gesamtzahl der Sterne in der Milchstraße aus. (Bild vom Jet Propulsion Laboratory der NASA)

Wir haben kürzlich in der Fachzeitschrift Nature ein Forschungsergebnis veröffentlicht, in dem wir darauf hingewiesen haben, dass die schweren Elemente in SMSS J2003-1142 höchstwahrscheinlich nicht durch die Verschmelzung von Neutronensternen entstanden sind, sondern beim Kollaps und der Explosion eines schnell rotierenden Sterns mit einem starken Magnetfeld und der 25-fachen Masse der Sonne entstanden sind.

Wir nennen diesen Explosionsprozess eine Supernova-Explosion mit magnetischer Rotation.

Die Explosionsenergie einer Hypernova ist mehr als zehnmal höher als die einer Supernova.

Hintergrunderklärung:

Wissenschaftler haben bestätigt, dass der Prozess der Neutronensternfusion eine der Quellen schwerer Elemente ist. Dabei handelt es sich um einen heftigen Verschmelzungsprozess zweier Neutronensterne in einem Doppelsternsystem. Wir nennen es eine „Kilonova“ und bei diesem Prozess können schwere Elemente entstehen.

Ein Doppelsternsystem ist ein System aus zwei Sternen, die einen gemeinsamen Schwerpunkt umkreisen, und eine Neutronensternfusion ist ein Prozess, der auftritt, wenn zwei Neutronensterne in einem Doppelsternsystem kollidieren, wodurch schwere Elemente entstehen können (Bild von der NASA).

Modelle der chemischen Evolution unserer Galaxie legen jedoch nahe, dass ein einzelner Prozess – die Verschmelzung von Neutronensternen – nicht ausreicht, um die Elementverteilungsmuster zu erzeugen, die wir in mehreren alten Sternen, einschließlich SMSS J2003-1142, sehen.

Stern SMSS J2003-1142 – ein Relikt aus dem frühen Universum:

Der Stern SMSS J2003-1142 wurde 2016 in Australien und dann erneut im September 2019 am Südobservatorium in Chile beobachtet.

Auf der Grundlage dieser Beobachtungen untersuchten wir die chemische Zusammensetzung des Sterns. Unsere Analyse ergab, dass sein Eisengehalt 3.000-mal niedriger ist als der der Sonne. Das bedeutet, dass er sich aus chemischer Sicht noch in einem frühen Stadium befindet.

Aufgrund der Elementverteilung in diesem Stern sieht es so aus, als ob er kurz nach dem Urknall aus einem Mutterstern entstanden wäre.

Wir fanden heraus, dass es höchstwahrscheinlich von einem schnell rotierenden, kollabierenden Stern stammte:

Die chemische Zusammensetzung von SMSS J2003-1142 kann Aufschluss über die Eigenschaften seines Muttersterns geben. Es ist insofern ungewöhnlich, als es einen lächerlich hohen Gehalt an Stickstoff, Zink und schweren Elementen wie Europium und Uran enthält.

Europium und Uran

Der hohe Stickstoffgehalt lässt darauf schließen, dass sich sein Mutterstern schnell drehte, und der hohe Zinkgehalt lässt darauf schließen, dass die vorherige Explosion zehnmal energiereicher war als eine typische Supernova – was sie zu einer Hypernova macht. Der hohe Urangehalt weist darauf hin, dass für seine Entstehung eine große Anzahl Neutronen erforderlich ist.

Alle Konzentrationen schwerer Elemente, die wir in diesem Stern beobachten, weisen darauf hin, dass er aus einer früheren Zyklotron-Supernova-Explosion stammt.

Unsere Studie liefert den ersten Beweis dafür, dass gyropolare Supernovae eine alternative Quelle schwerer Elemente in der Milchstraße sind.

Warum reicht der Prozess der Neutronensternfusion nicht aus, um die Beobachtungen zu erklären?

Aber woher wissen wir, dass die schweren Elemente in SMSS J2003-1142 nicht ausschließlich durch Neutronensternverschmelzungen entstanden sind? Hier sind die Gründe:

Wir gehen davon aus, dass ein einzelner Mutterstern alle Elemente dieses Sterns gebildet hat. Denn wenn die heutigen Elemente dieses Sterns durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne entstanden wären, würde dies sehr lange dauern. Doch in den frühen Stadien der Galaxienentstehung war einfach nicht genug Zeit, um diese Elemente zu erzeugen.

Darüber hinaus entstehen bei der Verschmelzung von Neutronensternen nur schwere Elemente, so dass zusätzliche Supernova-Explosionsprozesse erforderlich sind, um Elemente wie Kalzium zu erklären, das im Stern SMSS J2003-1142 beobachtet wurde. Andernfalls wird der gesamte Prozess sehr kompliziert und kann die aktuellen Beobachtungen wahrscheinlich nicht erklären.

Das Gyropolar-Supernova-Modell passt nicht nur besser zu den Daten, es kann auch die Zusammensetzung des Sterns anhand eines einzigen explosiven Ereignisses erklären. Diese neue Theorie sollte in Kombination mit der Theorie der Neutronensternverschmelzung in der Lage sein, den Ursprung schwerer Elemente in der Milchstraße zu erklären.

VON: David Yong, Gary Da Costa

FY: TeleskopX

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