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Normale Supernovae können vermeintliche Hypernova-Spuren erklären
Vier sehr metallarme, chemisch ungewöhnliche Sterne galten als Indizien dafür, dass extrem energiereiche Hypernovae ihre Geburtswolken geprägt haben. Zwei neue Analysen zeigen nun, dass ihre Elementmuster mindestens ebenso gut und teils deutlich besser durch normale Kernkollaps-Supernovae erklärt werden können, wenn deren Auswurf nicht als vollständig durchmischt angenommen wird. Bei einem Stern kommt zusätzlich eine Neutronensternverschmelzung infrage.
Dorking (England). In extrem metallarmen Sternen bewahrt sich ein chemischer Fingerabdruck des Gases, aus dem sie entstanden sind, und auffällige Verhältnisse von Kohlenstoff, Eisen oder Zink können deshalb Hinweise auf frühere Sternexplosionen geben. Besonders ungewöhnliche Muster wurden bei einzelnen Sternen als Spuren von Hypernovae gedeutet, deren Explosionsenergie mit mindestens 10⁵² Erg etwa eine Größenordnung über der einer normalen Kernkollaps-Supernova liegt.
Doch eine zentrale Annahme solcher Rückschlüsse ist möglicherweise zu einfach, wie zwei neue Studien von Forschern des University College London (UCL) um Anmol Aggarwal zeigen, die vier prominente Kandidaten neu modelliert haben. Statt anzunehmen, dass sämtliche Schichten einer Explosion homogen vermischt in die nächste Sternentstehungswolke gelangen, lassen sie verschiedene Zonen des ausgeworfenen Materials unterschiedlich stark beitragen.
Der Ansatz beruht auf einer als „Mixing Stochasticity“ bezeichneten unvollständigen Durchmischung. Supernovae sind nicht kugelsymmetrisch, und Beobachtungen wie die dreidimensionale Rekonstruktion der Supernova 1987A zeigen, dass verschiedene Elemente räumlich ungleich verteilt ausgeworfen werden. Trifft solches Material auf benachbarte Gaswolken, könnten diese daher unterschiedliche Anteile aus verschiedenen Sternschichten aufnehmen.
Für ihre Modellrechnung zerlegte das Team normale Supernova-Modelle in sieben bis acht chemisch unterschiedliche Regionen und passte deren Beiträge an die beobachteten Elementhäufigkeiten an. Der Ansatz ist bislang ein Machbarkeitsnachweis, denn wie stark sich die Schichten während der Explosion und später im interstellaren Gas tatsächlich vermischen, ist theoretisch noch nicht ausreichend quantifiziert.
In der ersten Studie prüften die Forscher die Sterne AS0039, HE 1327-2326 und J0931+0038, die zuvor mit besonders energiereichen Vorläufern in Verbindung gebracht worden waren. Mit dem neuen Mischungsmodell lieferten jedoch Standard-Supernovae von 13 oder 15 Sonnenmassen jeweils mindestens ebenso gute Anpassungen an die gemessenen Elementmuster.
Der Vergleich fällt besonders deutlich bei J0931+0038 aus. Dort sinkt die standardisierte Chi-Quadrat-Abweichung, bei der kleinere Werte die bessere Anpassung anzeigen, von 19,37 für das frühere Hypernova-Modell auf 5,30. Bei HE 1327-2326 verbessert sich der Wert von 5,05 auf 3,88, bei AS0039 von 9,33 auf 8,14. Für J0931+0038 betonen die Autoren allerdings, dass wie in der ursprünglichen Analyse nur ein Teil der beobachteten Elemente in die Anpassung einging.
Das bedeutet nicht, dass die neu gewählten Modelle die tatsächlichen Explosionen eindeutig rekonstruieren. Sie zeigen vielmehr, dass die ungewöhnliche Chemie nicht zwingend eine extrem energiereiche Explosion erfordert. Gerade bei Zink, Mangan oder Titan, die zuvor als wichtige Hypernova-Indizien dienten, können unterschiedlich gewichtete Schichten eines normalen Auswurfs die Spannungen teilweise auflösen.
Die zweite Studie widmet sich SMSS J200322.54-114203.3, einem extrem metallarmen Stern im äußeren Halo der Milchstraße, der wegen seiner ungewöhnlichen Häufigkeiten schwerer Elemente aus dem r-Prozess, also dem schnellen Einfang von Neutronen, als Nachfahre einer magnetorotationalen Hypernova interpretiert worden war. Das neue Modell kombiniert stattdessen Material einer normalen Kernkollaps-Supernova mit den Erträgen einer Neutronensternverschmelzung.
Diese Kombination passt über den vollständigen betrachteten Elementsatz deutlich besser.