NASA’s Webb verblüfft mit neuem hochauflösenden Blick auf explodierten Stern

Originalveröffentlichung am 10.12.2023 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases

Zusammenfassung: Geheimnisvolle Merkmale verbergen sich im nahen Infrarotlicht

Objekte im Weltraum zeigen bei unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts verschiedene Aspekte ihrer Zusammensetzung und ihres Verhaltens. Der Supernova-Überrest Cassiopeia A (Cas A) ist eines der im gesamten Wellenlängenspektrum am besten untersuchten Objekte in der Milchstraße. Die zerfetzten Überreste des Sterns bergen jedoch noch einige Geheim-nisse.

Die neuesten Erkenntnisse werden von einem der neuesten Instrumente im Werkzeugkasten der Forscher, von NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop, gewonnen – und Webb’s jüngster Blick ins nahe Infrarot hat die Forscher umgehauen.

Wie ein glänzendes, rundes Ornament, das bereit ist, an den perfekten Platz am Weihnachtsbaum gestellt zu werden, strahlt der Supernova-Überrest Cassiopeia A (Cas A) auf einem neuen Bild des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA.

Im Rahmen der Feiertage 2023 im Weißen Haus stellte die First Lady der Vereinigten Staaten, Dr. Jill Biden, den aller-ersten Adventskalender des Weißen Hauses vor. Um die “Magie, das Wunder und die Freude” der Weihnachtszeit zur Geltung zu bringen, feiern Dr. Biden und die NASA mit diesem neuen Bild von Webb.

Obwohl alles hell ist, ist diese Szene nicht die sprichwörtliche Stille Nacht. Webb’s NIRCam (Nahinfrarotkamera) zeigt diese Sternexplosion in einer Auflösung, die bei diesen Wellenlängen bisher unerreichbar war. Dieser hochauflösende Blick enthüllt komplizierte Einzelheiten der sich ausdehnenden Hülle aus Material, das in das Gas einschlägt, das der Stern vor seiner Explosion abgeworfen hat.

Cas A ist einer der am besten untersuchten Supernova-Überreste im ganzen Kosmos. Im Laufe der Jahre haben boden- und weltraumgestützte Observatorien, darunter das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA, das Hubble-Weltraum-teleskop und das außer Dienst gestellte Spitzer-Weltraumteleskop, ein Bild des Überrests des Objekts in vielen Wellen-längenbereichen erstellt.

Für die Astronomen hat nun jedoch eine neue Ära der Erforschung von Cas A begonnen. Im April 2023 begann das MIRI (Mid-Infrared Instrument) von Webb dieses Kapitel und enthüllte neue und unerwartete Merkmale in der inneren Hülle des Supernova-Überrests. Viele dieser Merkmale sind auf dem neuen NIRCam-Bild nicht sichtbar, und die Astronomen untersuchen, warum.

‘Wie Glasscherben’

Infrarotlicht ist für unsere Augen unsichtbar, daher übersetzen Bildverarbeiter und Wissenschaftler diese Wellenlängen des Lichts in sichtbare Farben. In diesem neuesten Bild von Cas A wurden die Farben verschiedenen Filtern von NIRCam zu-geordnet, und jede dieser Farben deutet auf unterschiedliche Aktivitäten im Inneren des Objekts hin.

Auf den ersten Blick mag das NIRCam-Bild weniger farbig erscheinen als das MIRI-Bild. Dies liegt aber einfach an den Wellenlängen, in denen das Material des Objekts sein Licht aussendet.

Die auffälligsten Farben in Webb’s neuestem Bild sind Klumpen in leuchtendem Orange und Hellrosa, die die innere Hülle des Supernova-Überrests bilden. Die gestochen scharfe Aufnahme von Webb läßt die kleinsten Gasverdichtungen er-kennen, die aus Schwefel, Sauerstoff, Argon und Neon aus dem Stern selbst bestehen. Eingebettet in dieses Gas ist ein Gemisch aus Staub und Molekülen, das schließlich zu Bestandteilen neuer Sterne und Planetensysteme wird. Einige Trümmerfilamente sind zu winzig, um selbst von Webb aufgelöst werden zu können, d. h., sie sind vergleichbar mit oder kleiner als 16 Milliarden Kilometer (etwa 100 Astronomische Einheiten). Im Vergleich dazu erstreckt sich Cas A in seiner Gesamtheit über einen Durchmesser von 10 Lichtjahren, also 96 Billionen Kilometer.

“Mit der Auflösung von NIRCam können wir nun sehen, wie der sterbende Stern bei seiner Explosion völlig zerbrach und dabei Filamente hinterließ, die winzigen Glasscherben ähneln”, so Danny Milisavljevic von der Purdue University, der das Forschungsteam leitet. “Es ist wirklich unglaublich, daß wir nach all den Jahren, in denen wir Cas A untersucht haben, nun diese Details aufklären können, die uns neue Erkenntnisse darüber liefern, wie dieser Stern explodiert ist.”

Verborgenes grünes Monster

Vergleicht man die neue Nahinfrarot-Ansicht von Cas A mit der Ansicht im mittleren Infrarot, so fällt auf, daß der innere Hohlraum und die äußerste Hülle merkwürdigerweise farblos sind.

Die Außenbereiche der inneren Haupthülle, die auf dem MIRI-Bild in einem tiefen Orange und Rot erschienen, sehen jetzt wie der Rauch eines Lagerfeuers aus. Dies markiert die Stelle, an der die Supernova-Explosionswelle in das umgebende zirkumstellare Material eindringt. Der Staub im zirkumstellaren Material ist zu kühl, um im nahen Infrarot direkt nachge-wiesen werden zu können, leuchtet aber im mittleren Infrarot auf.

Den Forschern zufolge handelt es sich bei der weißen Farbe um das Licht der Synchrotronstrahlung, die über das gesamte elektromagnetische Spektrum, einschließlich des nahen Infrarots, ausgesandt wird. Sie wird von geladenen Teilchen er-zeugt, die sich mit extrem hoher Geschwindigkeit spiralförmig um Magnetfeldlinien bewegen. Die Synchrotronstrahlung ist auch in den blasenartigen Hüllen in der unteren Hälfte des inneren Hohlraums sichtbar.

Ebenfalls nicht in der Nahinfrarot-Ansicht zu sehen ist die grüne Lichtschleife im zentralen Hohlraum von Cas A, die im mittleren Infrarot leuchtete und vom Forscherteam den Spitznamen “Grünes Monster” erhielt. Dieses Merkmal wurde von den Forschern bei ihrem ersten Anblick als “schwierig zu verstehen” bezeichnet.

Während das “Grün” des Grünen Monsters in NIRCam nicht sichtbar ist, kann das, was im nahen Infrarot in diesem Be-reich übrig bleibt, Aufschluß über das rätselhafte Merkmal geben. Die kreisförmigen Löcher, die im MIRI-Bild sichtbar sind, sind im NIRCam-Bild schwach in weißer und violetter Emission umrissen – dies stellt ionisiertes Gas dar. Die Forscher vermuten, daß dies auf die Supernova-Trümmer zurückzuführen ist, die das Gas, das der Stern vor seiner Explosion zurückgelassen hat, durchdringen und formen.

Baby Cas A

Die Forscher waren auch von einem faszinierenden Merkmal in der unteren rechten Ecke des NIRCam-Sichtfelds absolut verblüfft. Sie nennen diesen großen, gestreiften Fleck Baby Cas A – weil er wie ein Sproß der Hauptsupernova aussieht.

Es handelt sich um ein Lichtecho, bei dem das Licht der lange zurückliegenden Explosion des Sterns entfernten Staub erreicht und erwärmt hat, der beim Abkühlen leuchtet. Die Komplexität des Staubmusters und Baby Cas A’s scheinbare Nähe zu Cas A selbst sind für die Forscher besonders faszinierend. In Wirklichkeit befindet sich Baby Cas A ungefähr 170 Lichtjahre hinter dem Supernova-Überrest.

Darüber hinaus sind über Webb’s neuem Porträt mehrere weitere, kleinere Lichtechos verstreut.

Der Supernova-Überrest Cas A befindet sich 11.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Kassiopeia. Es wird geschätzt, daß er aus unserer Sicht vor etwa 340 Jahren explodiert ist.

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Observatorium für Weltraumforschung. Webb wird Rätsel in unserem Sonnensystem lösen, einen Blick auf ferne Welten um andere Sterne werfen und die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin erforschen. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisa-tion).

Cassiopeia A (NIRCam Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Cassiopeia A, SNR G111.7-02.1
• Objektbeschreibung: Supernova-Überrest
• Rektaszension: 23:23:24.00
• Deklination: +58:48:54.00
• Sternbild: Cassiopeia
• Entfernung: 11.090 Lichtjahre
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von etwa 5,8 Bogenminuten (19 Lichtjahre)
• Daten
• Instrument: NIRCam
• Filter: F162M, F356W, F444W
• Bild
• Farbinformation: Diese Bilder sind ein Komposit aus Einzelbelichtungen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem NIRCam-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um spezifische Wellenlängen-bereiche zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuordnung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem mono-chromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F162M Grün: F356W Rot: F444W

Über das Bild: Ein neues hochauflösendes Bild der NIRCam (Nahinfrarotkamera) des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA enthüllt verschachtelte Einzelheiten des Supernova-Überrests Cassiopeia A (Cas A) und zeigt die sich aus-dehnende Hülle aus Material, das auf das Gas trifft, das der Stern vor seiner Explosion abgeworfen hat.

Die auffälligsten Farben in Webb’s neuestem Bild sind Klumpen von leuchtendem Orange und Hellrosa, die die innere Hülle des Supernova-Überrests bilden. Diese winzigen Verdichtungen aus Gas, die sich aus Schwefel, Sauerstoff, Argon und Neon aus dem Stern selbst zusammensetzen, sind nur durch die exquisite Auflösung der NIRCam zu erkennen und geben den Forschern einen Hinweis darauf, wie der sterbende Stern bei seiner Explosion wie Glas zerbrochen ist.

Der Außenrand der inneren Haupthülle sieht aus wie der Rauch eines Lagerfeuers. Dies bezeichnet die Stellen, an denen ausgestoßenes Material des explodierten Sterns auf das umgebende zirkumstellare Material trifft. Die Forscher vermuten, daß diese weiße Farbe von Synchrotronstrahlung herrührt, die von geladenen Teilchen erzeugt wird, die sich mit extrem hoher Geschwindigkeit spiralförmig um Magnetfeldlinien bewegen.

Auf diesem Bild sind auch mehrere Lichtechos zu sehen, vor allem in der rechten unteren Ecke. Hier hat das Licht der lange zurückliegenden Explosion des Sterns den fernen Staub erreicht und erwärmt ihn, der beim Abkühlen leuchtet.

Cassiopeia A Nahaufnahmen (NIRCam Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Cassiopeia A, SNR G111.7-02.1
• Objektbeschreibung: Supernova-Überrest
• Rektaszension: 23:23:24.00
• Deklination: +58:48:54.00
• Sternbild: Cassiopeia
• Entfernung: 11.090 Lichtjahre
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von etwa 5,8 Bogenminuten (19 Lichtjahre)
• Daten
• Instrument: NIRCam
• Filter: F162M, F356W, F444W
• Bild
• Farbinformation: Diese Bilder sind ein Komposit aus Einzelbelichtungen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem NIRCam-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um spezifische Wellenlängen-bereiche zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuordnung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem mono-chromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F162M Grün: F356W Rot: F444W

Über das Bild: Dieses Bild hebt mehrere interessante Merkmale des Supernova-Überrests Cassiopeia A hervor, die mit der NIRCam (Nahinfrarotkamera) von Webb aufgenommen wurden:

1. Die exquisite Auflösung der NIRCam ist in der Lage, winzige Gasknoten zu erkennen, die aus Schwefel, Sauerstoff, Argon und Neon vom Stern selbst bestehen. Einige Trümmerfilamente sind zu winzig, um selbst von Webb aufgelöst zu werden, d. h., sie haben einen Durchmesser von ungefähr 100 Astronomischen Einheiten (16 Milliarden Kilometer) oder weniger. Die Forscher vermuten, daß dies ein Zeichen dafür ist, daß der Stern bei seiner Explosion wie Glas zerbrochen ist.
2. Kreisförmige Löcher, die im MIRI-Bild innerhalb des Grünen Monsters, einer Schleife aus grünem Licht im inneren Hohlraum von Cas A, sichtbar sind, sind im NIRCam-Bild schwach von weißer und violetter Emission umrandet – dies stellt ionisiertes Gas dar. Die Forscher vermuten, daß dies auf die Supernova-Trümmer zurückzuführen ist, die das Gas, das der Stern vor seiner Explosion zurückgelassen hat, durchstoßen und formen.
3. Dies ist eines der wenigen Lichtechos, die auf dem NIRCam-Bild von Cas A zu sehen sind. Ein Lichtecho entsteht, wenn das Licht der lange zurückliegenden Explosion des Sterns entfernten Staub erreicht und erwärmt hat, der beim Abkühlen leuchtet.
4. NIRCam fing ein besonders kompliziertes und großes Lichtecho ein, das von den Forschern den Spitznamen Baby Cas A erhielt. Es befindet sich in Wirklichkeit ungefähr 170 Lichtjahre hinter dem Supernova-Überrest.

Cassiopeia A (NIRCam und MIRI Ansichten nebeneinander)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Cassiopeia A, SNR G111.7-02.1
• Objektbeschreibung: Supernova-Überrest
• Rektaszension: 23:23:24.00
• Deklination: +58:48:54.00
• Sternbild: Cassiopeia
• Entfernung: 11.090 Lichtjahre
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von etwa 5,8 Bogenminuten (19 Lichtjahre)
• Daten
• Instrument: NIRCam
• Filter: F162M, F356W, F444W
• Bild
• Farbinformation: Diese Bilder sind ein Komposit aus Einzelbelichtungen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem NIRCam-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um spezifische Wellenlängen-bereiche zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuordnung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem mono-chromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F162M Grün: F356W Rot: F444W

Über das Bild: Das Bild zeigt einen direkten Vergleich des Supernova-Überrests Cassiopeia A (Cas A), wie er von NIRCam (Nahinfrarotkamera) und MIRI (Mittelinfrarotinstrument) des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA aufgenommen wurde.

Auf den ersten Blick erscheint das NIRCam-Bild von Webb insgesamt weniger farbenfroh als das MIRI-Bild, was jedoch nur auf die Wellenlängen zurückzuführen ist, in denen das Material des Objekts sein Licht aussendet. Das NIRCam-Bild erscheint aufgrund der höheren Auflösung etwas schärfer als das MIRI-Bild.

Der Rand der inneren Haupthülle, der auf dem MIRI-Bild in einem satten Rot und Orange erscheint, sieht auf dem NIRCam-Bild wie der Rauch eines Lagerfeuers aus. Dies markiert die Stelle, an der die Supernova-Explosionswelle in das umgebende zirkumstellare Material eindringt. Der Staub im zirkumstellaren Material ist zu kühl, um im nahen Infrarot direkt erkannt zu werden, leuchtet aber im mittleren Infrarot auf.

Ebenfalls in der Nahinfrarot-Aufnahme nicht zu sehen ist die Schleife aus grünem Licht im zentralen Hohlraum von Cas A, die im mittleren Infrarot leuchtete und vom Forschungsteam den Spitznamen “Grünes Monster” erhielt. Die kreisförmigen Löcher, die auf dem MIRI-Bild innerhalb des Grünen Monsters zu sehen sind, sind jedoch auf dem NIRCam-Bild schwach in weißer und violetter Emission umrissen.

Cassiopeia A (NIRCam Kompass-Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Cassiopeia A, SNR G111.7-02.1
• Objektbeschreibung: Supernova-Überrest
• Rektaszension: 23:23:24.00
• Deklination: +58:48:54.00
• Sternbild: Cassiopeia
• Entfernung: 11.090 Lichtjahre
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von etwa 5,8 Bogenminuten (19 Lichtjahre)
• Daten
• Instrument: NIRCam
• Filter: F162M, F356W, F444W
• Bild
• Farbinformation: Diese Bilder sind ein Komposit aus Einzelbelichtungen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem NIRCam-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um spezifische Wellenlängen-bereiche zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuordnung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem mono-chromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F162M Grün: F356W Rot: F444W

Über das Bild: Dieses Bild des Supernova-Überrests Cassiopeia A, aufgenommen durch Webb’s NIRCam (Nahinfrarot-kamera), zeigt Kompasspfeile, einen Maßstabsbalken und einen Farbschlüssel zur Orientierung.

Die Kompasspfeile nach Norden und Osten zeigen die Ausrichtung des Bildes am Himmel an.

Der Maßstabsbalken ist in Lichtjahren angegeben, was der Entfernung entspricht, die das Licht in einem Erdjahr zurück-legt. (Es dauert 3 Jahre, bis das Licht eine Strecke zurückgelegt hat, die der Länge des Balkens entspricht). Ein Lichtjahr sind ungefähr 9,46 Billionen Kilometer.

Dieses Bild zeigt unsichtbare Nahinfrarot-Wellenlängen, die in Farben des sichtbaren Lichts umgewandelt wurden. Der Farbschlüssel zeigt, welche NIRCam-Filter bei der Erfassung des Lichts verwendet wurden. Die Farbe jedes Filternamens ist die Farbe des sichtbaren Lichts, die verwendet wird, um das infrarote Licht darzustellen, das durch diesen Filter gelangt.

Tour durch Cassiopeia A

Dieses Video zeigt die Aufnahme vom Supernova-Überrest Cassiopeia A von Webb’s NIRCam (Nahinfrarotkamera). Die hohe Auflösung der NIRCam erkennt winzige Gasverdichtungen, die von der Explosion des Sterns übrig geblieben sind, sowie Lichtechos, die über das Sichtfeld verstreut sind.

Zoom in Cassiopeia A

Dieses Zoom-in-Video zeigt die relative Position des Supernova-Überrests Cassiopeia A (Cas A) am Himmel. Es beginnt mit einem bodengebundenen Photo des verstorbenen Astrophotographen Akira Fujii. Beim Heranzoomen auf kleinere Teile des Himmels wird ein Bild aus dem Digital Sky Survey eingeblendet. Es endet mit einer Überblendung in ein Bild von Cas A durch die NIRCam (Nahinfrarotkamera) am James-Webb-Weltraumteleskop der NASA, zusätzlich mit Rändern aus einem Bild des Hubble-Weltraumteleskops der NASA.