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Webb-Teleskop hat Typ-II-Supernova im jungen Kosmos entdeckt
Kosmischer Rückblick: Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop haben Astronomen eine Supernova analysiert, deren Licht aus einer Epoche rund zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall stammt. Ihre Lichtkurve spricht mit 97,2 Prozent Wahrscheinlichkeit für einen Typ-II-Ausbruch. Modelle deuten zudem auf einen heißen Start in dichtem zirkumstellarem Material hin, doch nur zwei Beobachtungsepochen begrenzen die Aussagekraft.
Honolulu (U.S.A.). Wenn massereiche Sterne am Ende ihres Lebens kollabieren, schleudern sie schwere Elemente ins All und prägen damit die chemische Entwicklung ihrer Galaxien. Doch wie solche Kernkollaps-Supernovae im metallarmen jungen Kosmos aussahen, lässt sich erst seit dem Start des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) genauer untersuchen.
Forscher der University of Hawaiʻi at Mānoa (UH Mānoa) um Valeria Aparicio haben nun die Supernova SN 2023aeaf aus der COSMOS-Web-Durchmusterung analysiert. Ihre spektroskopisch bestimmte Rotverschiebung von z = 3,195 gehört zu den höchsten bislang für eine Supernova gemessenen Werten. Das Licht war rund 11,7 Milliarden Jahre unterwegs und zeigt den Sternentod zu einer Zeit, als das Universum erst etwa zwei Milliarden Jahre alt war.
Für die Einordnung nutzte das Team zwei JWST-Aufnahmen mit der Nahinfrarotkamera NIRCam. Zwischen den beiden Beobachtungen lagen aus Sicht der Supernova rund 30 Tage. Die Forscher verglichen die Helligkeitsentwicklung in mehreren Filtern mit simulierten Lichtkurven verschiedener Supernova-Typen und zusätzlich mit Ultraviolettdaten naher Explosionen.
Das Ergebnis fällt deutlich aus: Das Modell STARDUST2 weist dem Typ-II-Szenario eine Wahrscheinlichkeit von 97,2 Prozent zu, während die Alternativen jeweils unter drei Prozent bleiben. Auch die ultraviolette Farbentwicklung passt am besten zu Typ II. Dabei handelt es sich jedoch um eine photometrische Klassifikation und nicht um eine direkte spektroskopische Bestätigung.
Denn ein rund 30 Tage nach der Entdeckung aufgenommenes JWST-Spektrum zeigt keine eindeutig identifizierbaren breiten Merkmale der Supernova. Die Wirtsgalaxie war im betreffenden Infrarotfilter etwa 14-mal heller und überstrahlte den Explosionsrest weitgehend. Hinzu kommt, dass die Klassifikationsvorlagen für Kernkollaps-Supernovae überwiegend von nahen Ereignissen mit Rotverschiebungen unter 0,2 stammen. Die Autoren halten Typ II deshalb für die beste Erklärung, können andere Kernkollaps-Typen aber nicht vollständig ausschließen.
Auffällig ist auch die frühe Temperatur. Bei der ersten Beobachtung passt die Strahlung zu mehr als 10.000 Kelvin, bei der zweiten zu rund 7.000 Kelvin. Diese Abkühlung lässt sich mit einem Übergang von einer frühen Wechselwirkung mit dichter Materie in der Umgebung des Sterns zur typischen Rekombinationsphase einer wasserstoffreichen Typ-II-Supernova erklären.
Mit dem Strahlungshydrodynamik-Code STELLA modellierte das Team deshalb auch eine dichte Hülle aus zirkumstellarem Material. Am besten passen Modelle mit Materie innerhalb von rund 10¹⁵ Zentimetern um den Stern und insgesamt etwa 0,5 Sonnenmassen in dieser Hülle. Für einen angenommenen Wind von zehn Kilometern pro Sekunde entspräche dies einer Massenverlustrate von ungefähr 0,01 Sonnenmassen pro Jahr.
Die zweite Beobachtung lässt sich zudem mit einer Explosion von etwa 10⁵¹ Erg und einem Ausgangsstern von ungefähr zwölf Sonnenmassen vereinbaren. Doch dieser Wert ist unsicher. Wegen der nur zwei Messzeitpunkte passen auch Modelle mit bis zu etwa 24 Sonnenmassen, sodass sich Masse und Explosionsenergie nicht eng eingrenzen lassen.
Auch die Galaxie von SN 2023aeaf passt zum Bild eines frühen Sternentods. Aus Photometrie und Spektrum leiten die Forscher eine Sternmasse von rund 1,1 Milliarden Sonnenmassen ab. Die Gasmetallizität liegt bei 12 + log(O/H) = 7,82 und damit deutlich unter dem heutigen solaren Wert. Zugleich zeigt die Galaxie aktive Sternbildung und nur geringe Staubabschwächung.