Eine Nova ist ein astronomisches Phänomen, das in binären Systemen auftritt, wenn ein Weißer Zwerg seiner Begleitstern die mit Wasserstoff angereicherte Materie entzieht. Dies führt zu einer unkontrollierten thermonuklearen Reaktion auf der Oberfläche des Weißen Zwerges. Der Name „Nova“ stammt davon, dass der plötzliche Lichtanstieg den Eindruck erweckt, als ob am Nachthimmel ein neuer Stern erschienen ist. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die unmittelbar nach der Explosion gebildeten Ejekta (das ausgeworfene Material) extrem klein sind, und Astronomen bislang nur indirekte Methoden verwenden konnten, um die frühen Phasen der Explosion zu deduzieren.
Fortschritte in der Beobachtung
In diesem Kontext hat das High-Resolution Imaging Center (CHARA Array) der Georgia State University detaillierte Bilder von den ersten Phasen der Explosion zweier Novae aus dem Jahr 2021 durch Nahinfrarot-interferometrische Beobachtungen erhalten. Durch die Kombination von Licht aus mehreren Teleskopen konnte das CHARA Array eine extrem hohe räumliche Auflösung erreichen, mit Winkeln von nur wenigen Millisekunden, und schnell wechselnde Phänomene in der frühen Phase nach der Explosion erfassen.
„Wir erhalten hier eine Nahaufnahme des Materieausstoßes einer explodierenden Stern“, erklärt Gail Schäfer, die Leiterin des CHARA-Teams. Um diese transitorischen Phänomene festzuhalten, müssen wir während unserer nächtlichen Beobachtungsprogramme flexibel sein, während neue Ziele entdeckt werden.“
Zwei sehr unterschiedliche Nova-Explosionen
Schaefer und ihr Team beobachteten zwei Novae: V1674 Herculis und V1405 Cassiopeiae. V1674 war eine der schnellsten jemals beobachteten Novae und erreichte ihren maximalen sichtbaren Lichtschein in weniger als 16 Stunden nach ihrer Entdeckung, verschwand jedoch schnell innerhalb weniger Tage. V1405 hingegen benötigte 53 Tage, um ihren maximalen Lichtschein zu erreichen, und blieb rund 200 Tage lang hell.
Das Bild von V1674 wurde nur zwei bis drei Tage nach der Entdeckung aufgenommen. Es zeigt eine Explosion, die eindeutig nicht sphärisch symmetrisch ist. Es gibt zwei Ejektastrome, eine in nordöstlicher und eine in südwestlicher Richtung, sowie eine ellipsoide Struktur, die fast senkrecht dazu steht. Dies ist ein direkter Beweis dafür, dass die Explosion von mehreren Ejektaströmen begleitet wurde, die miteinander interagierten.
Spektroskopische Beobachtungen erfassten zudem unterschiedliche Geschwindigkeitskomponenten in der Balmer-Serie von Wasserstoffatomen. Während die Absorptionslinie vor dem Maximum eine Geschwindigkeit von etwa 3.800 km/s aufwies, erreichte die Komponente, die nach dem Maximum erschien, etwa 5.500 km/s.
Die Chronologie dieses Phänomens ist ebenfalls bedeutend. Der neue Jet erschien in den Bildern zeitgleich mit der Detektion hochenergetischer Gammastrahlen durch das Fermi-Gamma-Ray-Weltraumteleskop der NASA. Die Kollision der unterschiedlichen Geschwindigkeitsströme erzeugte einen starken Schock, der Gammastrahlen aussendete.
Überraschende Ergebnisse von V1405
Die Ergebnisse von V1405 waren noch überraschender. Die ersten beiden Beobachtungen während der maximalen Aktivität zeigten lediglich eine leuchtende zentrale Quelle und wenige umliegende Ausbrüche. Der Durchmesser des Zentrums beträgt etwa 0,99 Millisekunden-Quadrat, was einem Radius von etwa 0,85 AU (Astronomische Einheit; 1 AU ist die Entfernung zwischen Erde und Sonne) entspricht.
Wenn die äußere Schicht zu Beginn des Ausbruchs abgestoßen worden wäre, hätte sie sich über einen Zeitraum von 53 Tagen ausdehnen müssen, basierend auf den spektroskopischen Beobachtungen, und hätte eine Größe von 23-46 AU erreicht. Die große Diskrepanz zu den tatsächlichen Messungen bedeutet, dass ein großer Teil der äußeren Schicht nach mehr als 50 Tagen nicht vollständig ausgestoßen wurde. Dies deutet darauf hin, dass die äußere Schicht der Nova sich in einer Phase befand, in der sie den gesamten binären System bis zum Maximum des sichtbaren Lichts umhüllte.
Die dritte Beobachtung zeigte einen drastischen Wandel in der Struktur. Die zentrale Quelle machte jetzt nur noch etwa die Hälfte der gesamten Strahlung aus, während der Rest von der erweiterten Region stammte. Zu diesem Zeitpunkt erschien eine breite Strahlungskomponente, die mit etwa 2.100 km/s in Gammastrahlen vom Fermi-Teleskop und in harten Röntgenstrahlen vom NASA Neil Gehrels Swift Gamma-Ray Observatory erkannt wurde. Die anschließende Materialfreisetzung erzeugte einen neuen Schock, was zu der beobachteten Hochenergie-Strahlung führte.
Komplexität der Novae
Diese Entdeckung zeigt, dass Novae weitaus komplexer sind als eine einzelne Explosion. In den letzten 15 Jahren der Beobachtungen mit dem Fermi-Teleskop wurden Gammastrahlen im Bereich von Gigaelektronvolt von über 20 Novae nachgewiesen. Novae können nicht länger als Labore für die Untersuchung von Schockwellen und Partikelbeschleunigung betrachtet werden.
Insbesondere deuten die Ergebnisse von V1405 darauf hin, dass die orbitalen Bewegungen der beiden Sterne in dem binären Sternsystem eine Kraft generieren könnten, die die nach der Explosion aufgeblähte äußere Schicht nach außen drängt. In den langsam evolvierenden Novae umhüllt die sich ausdehnende äußere Schicht das gesamte binäre System über mehrere Wochen. Diese Phänomene bieten eine seltene Gelegenheit, den evolutiven Prozess zu beobachten, wenn zwei Sterne sehr nahe beieinander sind, direkt vor unseren Augen. Es wird angenommen, dass mehr als 10 % der Sterne im Universum diesen Prozess durchlaufen, aber der genaue Mechanismus bleibt unerklärlich.
Früher als einfache Explosionen betrachtet, erweisen sich Novae inzwischen als viel reichhaltigere und faszinierendere Phänomene, als man sich je vorgestellt hat. Durch ein neues Fenster zu direkten interferometrischen Bildern beginnt die wahre Natur des dramatischsten Phänomens des Universums, sich zu offenbaren.
