Explosion auf einem Weißen Zwergstern zum allerersten Mal beobachtet

Weißer Zwerg explodiert

Künstlerische Darstellung eines explodierenden Weißen Zwergs. Quelle: Universität Tübingen

Wenn Sternen wie unserer Sonne der Brennstoff ausgeht, ziehen sie sich zusammen und bilden Weiße Zwerge. Solche toten Sterne können manchmal in einer superheißen Explosion wieder zum Leben erweckt werden und einen Feuerball aus Röntgenstrahlung erzeugen. Ein Forscherteam mehrerer deutscher Institute, darunter der Universität Tübingen und unter Leitung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), hat nun erstmals eine solche Explosion von Röntgenlicht beobachtet.

„Eigentlich war es teilweise ein glücklicher Zufall“, erklärt Ole König vom Astronomischen Institut der FAU in der Dr.-Karl-Remeis-Sternwarte Bamberg, der zusammen mit Prof. Dr. Dr. Jörn Wilms und ein Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, der Universität Tübingen, der Universitat Politécnica de Catalunya in Barcelona und dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam. „Diese Röntgenblitze dauern nur wenige Stunden und sind kaum vorhersagbar, aber das Beobachtungsinstrument muss genau zum richtigen Zeitpunkt direkt auf die Explosion gerichtet werden“, erklärt der Astrophysiker.

„Diese sogenannten Novae treten ständig auf, aber sie in den allerersten Momenten zu erkennen, wenn der größte Teil der Röntgenstrahlung erzeugt wird, ist wirklich schwierig.“ — Dr. Viktor Doroschenko

Das Instrument in diesem Fall ist das Röntgenteleskop eROSITA, das sich derzeit anderthalb Millionen Kilometer von der Erde entfernt befindet und seit 2019 den Himmel nach weicher Röntgenstrahlung durchsucht. Am 7. Juli 2020 hat es starke Röntgenstrahlen gemessen. Strahlenstrahlung in einem Bereich des Himmels, der vier Stunden zuvor völlig unauffällig war. Als das Röntgenteleskop vier Stunden später dieselbe Position am Himmel überblickte, war die Strahlung verschwunden. Daraus folgt, dass der Röntgenblitz, der zuvor das Zentrum des Detektors völlig überstrahlt hatte, weniger als acht Stunden gedauert haben muss.

Röntgenexplosionen wie diese wurden bereits vor mehr als 30 Jahren von der theoretischen Forschung vorhergesagt, aber bisher nie direkt beobachtet. Diese Feuerbälle aus Röntgenstrahlen treten auf der Oberfläche von Sternen auf, die ursprünglich in ihrer Größe mit der Sonne vergleichbar waren, bevor sie den größten Teil ihres Brennstoffs aus Wasserstoff und später Helium tief in ihren Kernen verbrauchten. Diese Sternenkörper schrumpfen, bis „Weiße Zwerge“ übrig bleiben, die eine ähnliche Größe wie die Erde haben, aber eine Masse enthalten, die der unserer Sonne ähneln kann. „Man kann sich diese Proportionen vorstellen, indem man sich vorstellt, die Sonne sei so groß wie ein Apfel, die Erde also so groß wie ein Stecknadelkopf, der in 10 Metern Entfernung um den Apfel kreist“, erklärt Jörn Wilms.

„Diese sogenannten Novae treten zwar ständig auf, aber sie in den allerersten Momenten zu entdecken, wenn der größte Teil der Röntgenstrahlung produziert wird, ist wirklich schwierig“, fügt Dr. Victor Doroshenko von der Universität Tübingen hinzu. „Nicht nur die kurze Dauer eines Blitzes ist eine Herausforderung, sondern auch die Tatsache, 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 Band nicht sehr weit sehen können, was die Anzahl der beobachtbaren Objekte begrenzt, sei es eine Nova oder ein gewöhnlicher Stern. Teleskope sind normalerweise so konzipiert, dass sie bei härteren Röntgenstrahlen, bei denen die Absorption weniger wichtig ist, am effektivsten sind, und genau aus diesem Grund würden sie ein Ereignis wie dieses verpassen!“ schließen Victor Doroshenko.

Stellare Leichen ähneln Edelsteinen

Würde man dagegen einen Apfel auf die Größe eines Stecknadelkopfes schrumpfen, würde dieses winzige Teilchen das vergleichsweise große Gewicht des Apfels behalten. „Ein Teelöffel Materie aus dem Inneren eines[{” attribute=””>white dwarf easily has the same mass as a large truck,” Jörn Wilms continues. Since these burnt-out stars are mainly made up of oxygen and carbon, we can compare them to gigantic diamonds that are the same size as Earth floating around in space. These objects in the form of precious gems are so hot they glow white. However, the radiation is so weak that it is difficult to detect from Earth.

Unless the white dwarf is accompanied by a star that is still burning, that is, and when the enormous gravitational pull of the white dwarf draws hydrogen from the shell of the accompanying star. “In time, this hydrogen can collect to form a layer only a few meters thick on the surface of the white dwarf,” explains FAU astrophysicist Jörn Wilms. In this layer, the huge gravitational pull generates enormous pressure that is so great that it causes the star to reignite. In a chain reaction, it soon comes to a huge explosion during which the layer of hydrogen is blown off. The X-ray radiation of an explosion like this is what hit the detectors of eROSITA on July 7, 2020, producing an overexposed image.

Since these burnt-out stars are mainly made up of oxygen and carbon, we can compare them to gigantic diamonds that are the same size as Earth floating around in space.

“The physical origin of X-ray emission coming white dwarf atmospheres is relatively well understood, and we can model their spectra from first principles and in exquisite detail. Comparison of models with observations allows then to learn basic properties of these objects such as weight, size, or chemical composition” explains Dr. Valery Suleimanov from Tübingen University. “The problem in this particular case was, however, that, after 30 years with no photons we suddenly had too many, which distorted the spectral response of eROSITA, which was designed to detect millions of very faint objects rather than one but very bright” adds Victor Doroshenko.

“Using the model calculations, we originally drew up while supporting the development of the X-ray instrument, we were able to analyze the overexposed image in more detail during a complex process to gain a behind-the-scenes view of an explosion of a white dwarf, or nova,” explains Jörn Wilms.

According to the results, the white dwarf has around the mass of our Sun and is therefore relatively large. The explosion generated a fireball with a temperature of around 327,000 degrees K (588,000 degrees F), making it around sixty times hotter than the Sun. “These parameters were obtained by combining models of X-ray radiation with the models of radiation emitted by very hot white dwarfs created in Tübingen by Valery Suleimanov and Victor Doroshenko, and very deep analysis of instrument response in a regime far outside specifications carried out at FAU and MPE. I think it illustrates very nicely the importance of collaboration in modern science, and wide range of expertise within the German eROSITA consortium” adds Prof. Dr. Klaus Werner from Tübingen University.

Since these novae run out of fuel quite quickly, they cool rapidly and the X-ray radiation becomes weaker until it eventually becomes visible light, which reached Earth half a day after the eROSITA detection and was observed by optical telescopes.

“A seemingly bright star then appeared, which was actually the visible light from the explosion, and so bright that it could be seen on the night sky by the bare eye,” explains Ole König. Seemingly “new stars” such as this one have been observed in the past and were named “nova stella,” or “new star” on account of their unexpected appearance. Since these novae are only visible after the X-ray flash, it is very difficult to predict such outbreaks and it is mainly down to chance when they hit the X-ray detectors.

“We were really lucky,” says Ole König.

Reference: “X-ray detection of a nova in the fireball phase” by Ole König, Jörn Wilms, Riccardo Arcodia, Thomas Dauser, Konrad Dennerl, Victor Doroshenko, Frank Haberl, Steven Hämmerich, Christian Kirsch, Ingo Kreykenbohm, Maximilian Lorenz, Adam Malyali, Andrea Merloni, Arne Rau, Thomas Rauch, Gloria Sala, Axel Schwope, Valery Suleimanov, Philipp Weber and Klaus Werner, 11 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04635-y

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