Superleuchtkräftige Supernovae sind zehn bis 100-mal heller als normale Sternexplosionen. Warum, ist jedoch ungeklärt. Jetzt könnten Astronomen den Grund gefunden haben. Den entscheidenden Hinweis lieferte eine 2024 entdeckte Supernova dieses Typs SNSNe-1, die mit einem Teleskopnetzwerk über 200 Tage beobachtet werden konnte. Dies enthüllte vier „Dellen“ in der Lichtkurve, deren Abstände sich im Laufe der Zeit zunehmend verkürzten. Dieses Muster passt zu einem Szenario, bei dem der Vorgängerstern zu einem „gekippten“ Magnetar kollabierte – einem schnell rotierenden Neutronenstern, dessen Rotationsachse schräg zur Achse seines starken Magnetfelds gekippt ist. Als Folge eiert auch die sich zusammenziehende Materiescheibe um den Magnetar – und dies erzeugt das wiederholte Aufleuchten.
In den letzten gut 20 Jahren haben Astronomen schon mehrere Supernovae entdeckt, die nicht ins übliche Schema passen. Denn diese superleuchtkräftigen Sternexplosionen (SLSNe-I) sind zehn- bis hundertmal heller als gewöhnlich und ihre Leuchten hält deutlich länger an als bei normalen Sternexplosionen. Das legt nahe, dass diese zusätzliche Energie und Strahlung auf einen bisher nicht bekannten Prozess zurückgeht – aber welchen? Einer der Hypothesen nach könnte ein Magnetar hinter dem zusätzlichen Energieschub stecken – ein schnell rotierender Neutronenstern mit extrem starkem Magnetfeld. Dieses Magnetfeld dreht sich mit seinem Urheber und gibt dabei einen Teil seiner Energie in Form beschleunigter Teilchen ab. Wenn diese mit dem zuvor ausgeschleuderten Material der Sternexplosion kollidieren, könnte dies die Helligkeit der Supernova erhöhen und sie gleichzeitig auch länger leuchten lassen – so die Hypothese.
Buckel in der Lichtkurve
Allerdings passte ein Merkmal der superleuchtkräftigen Supernovae nicht in dieses Szenario: „Das Magnetar-Modell sagt einen schnellen Anstieg der Helligkeit voraus, gefolgt von einer sanften, monotonen Abnahme“, erklären Joseph Farah von der University of California in Santa Barbara und seine Kollegen. „In den meisten Lichtkurven dieser superleuchtkräftigen Supernovae sind Buckel oder Modulationen zu erkennen.“ Weil aber die bisherigen Beobachtungen nur maximal zwei dieser vorübergehenden Leuchtkraftverstärkungen im Nachleuchten der Explosionen aufzeichnen konnten, blieb unklar, was dahintersteckt. Doch Farah und seinem Team ist es nun erstmals gelungen, die Lichtkurve einer superleuchtkräftigen Supernova über mehr als 200 Tage hinweg zu verfolgen. Sie beobachteten die am 12. Dezember 2024 entdeckte Sternexplosion SN 2024afav mit dem robotischen Teleskopnetzwerk des Las Cumbres Observatory. Dieses besteht aus optischen Teleskopen auf nahezu allen Kontinenten, die von diesen weit auseinanderliegenden Standorten aus ein gemeinsames Ziel anvisieren können.
Durch diese Beobachtungen gelang es den Astronomen erstmals, gleich vier „Buckel“ in der Lichtkurve dieser superleuchtkräftigen Supernova – und einen möglichen fünften – aufzuzeichnen und genauer zu analysieren. Daraus ging hervor, dass die „Buckel“ in der Lichtkurve im Verlauf der Zeit schwächer werden, gleichzeitig verkürzen sich die Intervalle zwischen den Helligkeitsschüben in spezifischer Weise: Jedes Zeitintervall ist um rund 29 Prozent kürzer als sein Vorgänger, wie Farah und seine Kollegen ermittelten. Sie vergleichen diese sich verkürzende Frequenz der Helligkeitsschübe mit dem ansteigenden Ton eines Vogelzwitscherns, daher nutzen sie die Bezeichnung „Chirp“ für dieses zeitliche Muster. „Die einzigartig klaren und engmaschigen Daten des Las Cumbres Observatory ermöglichten es uns, künftige Helligkeitsschübe vorherzusagen und unsere Beobachtungskampagne entsprechend anzupassen“, sagt Farah. Die erstmals klar detektierte Abfolge ermöglichte es den Astronomen, mithilfe eines Modells nach der möglichen Ursache zu suchen – und dabei auch die Magnetar-Hypothese zu überprüfen.
Gekippte Achsen und die Lense-Thirring-Präzession
Farah und sein Team versuchten in ihren Modellierungen, das gängige Magnetar-Szenario so anzupassen, dass es nicht nur die enorme Helligkeit dieser superleuchtkräftigen Supernovae erklärt, sondern auch die schneller werdende Abfolge der Helligkeitsschübe. „Wir testeten mehrere Ideen, darunter rein Newtonsche Effekte und auch eine Präzession durch die Magnetfelder des Magnetars“, berichtet Farah. Eine solche Präzession tritt auf, wenn die Rotationsachse des Neutronensterns gegen die Achse seines Dipolmagnetfelds gekippt ist. Doch erst als die Astronomen noch einen weiteren Effekt mit einbezogen, konnten sie die bei der Supernova SN 2024afav gemachten Beobachtungen im Modell rekonstruieren. „Erst die Lense-Thirring-Präzession passte zeitlich perfekt“, sagt Farah. Dabei handelt es sich um eine Folge der Allgemeinen Relativitätstheorie. Sie besagt, dass eine rotierende Masse die von ihr gekrümmte Raumzeit mitzieht und daher eine Präzession erzeugen kann.
Im Fall der Supernova SN 2024afav ist die rotierende Masse eine Akkretionsscheibe aus Sternenmaterial, das bei der Sternexplosion ausgeschleudert wurde, dann aber zurück auf den neu gebildeten Magnetar fiel. Wie das Modell ergab, muss diese Akkretionsscheibe beim Magnetar der Supernova SN 2024afav asymmetrisch und ebenfalls leicht gegen seine Rotationsachse gekippt sein. Durch die Lense-Thirring-Präzession läuft diese Scheibe unrund und beginnt zu taumeln – wie ein eiernder Kreisel. „Dadurch kann die Akkretionsscheibe die Emissionen des Magnetars periodisch verdecken oder reflektieren“, schreiben die Astronomen. Die Helligkeit des Magnetars der Supernova scheint dadurch zu schwanken. Der Clou jedoch: Dieser Effekt kann auch erklären, warum sich die Zeit zwischen den Helligkeitsschüben verkürzt: Das Material der Akkretionsscheibe wird vom Magnetar angezogen und stürzt nach und nach auf ihn. Dadurch verkleinert sich die Scheibe und taumelt immer schneller. Dies erzeugt das von den Teleskopen auf der Erde beobachtete „Chirp“-Muster der Helligkeitsschübe.
Rätsel gelöst?
„Unsere Ergebnisse liefern damit den ersten Beobachtungsbeleg für den Lense–Thirring-Effekt bei einem Magnetar und sie bestätigen das Magnetar-Modell als Erklärung für die extreme Leuchtkraft solcher Supernovae“, schreiben die Astronomen. Ihren ergänzenden Analysen zufolge passt ihr Modell auch zu den Lichtkurven einiger zuvor beobachteter superleuchtkräftiger Supernovae. Ob allerdings alle Sternexplosionen dieser Art auf diesen Mechanismus zurückgehen oder ob es einige Fälle mit anderer Ursache gibt, ist noch ungeklärt. Das Team um Farah hofft, dass kommende Beobachtungsdaten des Vera C. Rubin Observatory hier mehr Aufschluss geben kann. Denn dieses vor kurzem in Chile in Betrieb genommene Teleskop ist speziell darauf ausgelegt, veränderliche Phänomene am Himmel aufzuspüren – darunter auch Supernovae.
Quelle: Joseph Farah (University of California, Santa Barbara) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-026-10151-0
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