Wenn Sterne wie unsere Sonne ihren gesamten Brennstoff aufbrauchen, kollabieren sie und bilden Weiße Zwerge. Manchmal erwachen solche toten Sterne in einer überhitzten Explosion wieder zum Leben und bilden einen Feuerball aus Röntgenstrahlen. Eine Forschergruppe mehrerer deutscher Institute konnte erstmals eine solche Explosion von Röntgenstrahlung beobachten.
„Es war ein Stück weit ein guter Zufall“, erklärt Ole Koenig vom Astronomischen Institut der FAU. „Diese Röntgenausbrüche dauern nur wenige Stunden und sind kaum vorhersagbar, zudem muss das Beobachtungsinstrument zu einem bestimmten Zeitpunkt direkt auf den Ausbruch gerichtet werden“, erklärt der Astrophysiker.
In diesem Fall ist ein solches Instrument das Röntgenteleskop eROSITA, das mittlerweile 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist und seit 2019 den Himmel nach weicher Röntgenstrahlung überwacht. Am 7. Juli 2020 registrierte er eine starke Röntgenemission in jener Himmelsregion, die vier Stunden zuvor völlig unsichtbar war. Als das Röntgenteleskop vier Stunden später dieselbe Stelle am Himmel untersuchte, war die Strahlung verschwunden. Daraus folgt, dass der Röntgenblitz, der zuvor das Zentrum des Detektors vollständig beleuchtete, weniger als 8 Stunden gedauert haben dürfte.
Solche Röntgenblitze wurden vor mehr als 30 Jahren durch theoretische Studien vorhergesagt, aber bisher nie direkt beobachtet. Diese Röntgen-Feuerbälle treten auf der Oberfläche von Sternen auf, die ursprünglich in ihrer Größe mit der Sonne vergleichbar waren, dann aber den größten Teil ihres Wasserstoff- und dann Helium-Brennstoffs tief in ihren Kernen verbrauchten. Diese stellaren Leichen kollabieren, bis sie weiße Zwerge sind, die eine ähnliche Größe wie die Erde haben, aber eine Masse haben, die der unserer Sonne entsprechen könnte.
„Diese sogenannten neuen Sterne entstehen ständig, aber es ist sehr schwierig, sie in den ersten Momenten zu entdecken, wenn die meisten Röntgenstrahlen emittiert werden“, ergänzt Dr. Viktor Doroshenko von der Universität Tübingen. „Die Schwierigkeit liegt nicht nur in der kurzen Dauer des Blitzes, sondern auch darin, dass das Spektrum der emittierten Röntgenstrahlen sehr weich ist. Weiche Röntgenstrahlen sind nicht sehr energiereich und werden vom interstellaren Medium leicht absorbiert, sodass wir in diesem Bereich nicht sehr weit sehen können, was die Anzahl der beobachtbaren Objekte begrenzt. Teleskope sind normalerweise so konstruiert, dass sie in härteren Röntgenstrahlen arbeiten, wo die Absorption weniger wichtig ist, und aus diesem Grund verpassen sie möglicherweise ein solches Ereignis."
Da diese ausgebrannten Sterne hauptsächlich aus Sauerstoff und Kohlenstoff bestehen, können wir sie mit riesigen Diamanten von der Größe der Erde vergleichen, die im Weltraum schweben, aber die Strahlung ist immer noch so schwach, dass sie von der Erde aus nur schwer zu erkennen ist.
Das heißt, bis der Weiße Zwerg von einem noch brennenden Stern begleitet wird und die immense Anziehungskraft des Weißen Zwergs den Wasserstoff aus dem Begleitstern zieht. „Später kann sich dieser Wasserstoff ansammeln und auf der Oberfläche des Weißen Zwergs eine nur wenige Meter dicke Schicht bilden“, erklärt FAU-Astrophysiker Jorn Wilms. In dieser Schicht entsteht durch die enorme Gravitationskraft ein enormer Druck, der so groß ist, dass er den Stern wieder aufflammen lässt. Als Folge einer Kettenreaktion kommt es bald zu einer heftigen Explosion, bei der die Wasserstoffschicht weggeblasen wird. Die Röntgenstrahlung einer solchen Explosion traf am 7. Juli 2020 auf die eROSITA-Detektoren und erzeugte ein überbelichtetes Bild.
„Mithilfe von Modellrechnungen konnten wir das überbelichtete Bild während des komplexen Prozesses weiter analysieren, um einen Blick hinter die Kulissen der Explosion des Weißen Zwergs zu werfen“, so die Forscher.
Nach den gewonnenen Ergebnissen ist die Masse des Weißen Zwergs etwa gleich der Masse der Sonne und damit relativ groß. Die Explosion erzeugte einen Feuerball mit einer Temperatur von etwa 327 K (54 C), was ihn etwa 60-mal heißer als die Sonne macht. Da diesen neuen Sternen der Treibstoff ziemlich schnell ausgeht, kühlen sie schnell ab und die Röntgenstrahlung wird schwächer, bis sie schließlich in sichtbares Licht übergeht, das einen halben Tag nach der Entdeckung von eROSITA die Erde erreichte und von optischen Teleskopen beobachtet wurde. Da diese neuen Sterne erst nach einem Röntgenausbruch sichtbar sind, sind solche Ausbrüche sehr schwer vorherzusagen, und ihre Entdeckung in Röntgendetektoren ist weitgehend zufällig.
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