Auf einem neuen Foto, das mit dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA aufgenommen wurde, ähnelt der Supernova-Überrest Cassiopeia A (CasA) einem glänzenden, kreisförmigen Ornament, das bereit ist, an der perfekten Stelle am Weihnachtsbaum platziert zu werden.

Im Rahmen der Feiertage im Weißen Haus 2023 hat US-First Lady Dr. Jill Biden zum ersten Mal den Adventskalender des Weißen Hauses enthüllt. Um die „Magie, Wunder und Freude“ der Feiertage zu demonstrieren, feiern Dr. Biden und die NASA die Feiertage mit diesem neuen Bild vom Webb-Teleskop.

Obwohl alles hell ist, handelt es sich bei dieser Szene nicht um die legendäre Stille Nacht. Der CasA-Supernova-Überrest, der von Webbs Nahinfrarotkamera (NIRCam) aufgenommen wurde, zeigt die Sternexplosion in einer Auflösung, die bei diesen Wellenlängen bisher unerreichbar war. Diese hochauflösende Beobachtung enthüllt komplizierte Details der expandierenden Außenhülle des Sterns, die auf Gas trifft, bevor sie explodiert.

CasA ist einer der am besten untersuchten Supernova-Überreste im gesamten Universum. Im Laufe der Jahre haben boden- und weltraumgestützte Observatorien, darunter das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA, das Hubble-Weltraumteleskop und das ausgemusterte Spitzer-Weltraumteleskop, Bilder der Überreste des Objekts in mehreren Wellenlängen erstellt.

Im April 2023 leitete der Mid-Infrared Explorer (MIRI) des Webb-Teleskops dieses Kapitel ein und enthüllte unerwartete neue Merkmale in der inneren Hülle des Supernova-Überrests. Viele dieser Merkmale sind in den neuen NIRCam-Bildern nicht sichtbar, und Astronomen untersuchen, warum.

Dieses Bild hebt mehrere interessante Merkmale des Supernova-Überrests Cassiopeia A hervor, der von Webbs NIRCam (Nahinfrarotkamera) aufgenommen wurde:

1. Die hohe Auflösung von NIRCam ermöglicht die Erkennung winziger Gastaschen im Stern selbst, darunter Schwefel, Sauerstoff, Argon und Neon. Einige der Trümmerfilamente sind selbst für das Webb-Teleskop nicht zu unterscheiden, was bedeutet, dass sie einen Durchmesser von 10 Milliarden Meilen (etwa 100 astronomische Einheiten) oder weniger haben. Forscher sagen, dies stelle dar, wie Sterne bei einer Explosion wie Glas zersplittern.

2. Kreisförmige Löcher im grünen Monster (ein Ring aus grünem Licht im inneren Hohlraum von CasA) sind im MIRI-Bild sichtbar und im NIRCam-Bild durch weiße und violette Strahlung schwach umrandet – was ionisiertes Gas darstellt. Forscher glauben, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass Supernova-Trümmer durch das Gas strömen und es formen, das vor der Explosion des Sterns zurückgeblieben ist.

3. Dies ist eines von mehreren Lichtechos, die im von NIRCam aufgenommenen CasA-Bild zu sehen sind. Lichtechos entstehen, wenn das Licht der Explosion eines Sterns vor langer Zeit auf entfernten Staub trifft und ihn erwärmt.

4. NIRCam hat ein besonders komplexes und riesiges Lichtecho erfasst, das die Forscher CasA Baby nannten. Tatsächlich befindet es sich etwa 170 Lichtjahre hinter dem Supernova-Überrest.

Quellen: NASA, ESA, CSA, STScI, Danny Milisavljevic (Purdue University), IlseDeLooze (UGent), TeaTemim (Princeton University)

Da unsere Augen kein Infrarotlicht sehen können, wandeln Bildprozessoren und Wissenschaftler diese Lichtwellenlängen in sichtbare Farben um. In diesem neuesten Bild von CasA erhalten die verschiedenen Filter von NIRCam unterschiedliche Farben, wobei jede Farbe auf unterschiedliche Aktivitäten im Objekt hinweist.

Auf den ersten Blick sind NIRCam-Bilder möglicherweise nicht so farbenfroh wie MIRI-Bilder. Dabei handelt es sich jedoch lediglich um einen Unterschied in der Wellenlänge des von Himmelssubstanzen emittierten Lichts.

Dieses Video zeigt ein Bild des Supernova-Überrests Cassiopeia A (CasA), aufgenommen mit Webbs Nahinfrarotkamera (NIRCam). Die hohe Auflösung von NIRCam kann winzige Gasklumpen erkennen, die nach der Explosion eines Sterns zurückbleiben, sowie über das Sichtfeld gestreute Lichtechos.

Die auffälligsten Farben in Webbs neuesten Bildern sind die leuchtend orangefarbenen und blassrosa Klumpen, die die innere Hülle des Supernova-Überrests bilden. Webbs scharfe Perspektive kann die kleinsten Gasklumpen aus Schwefel, Sauerstoff, Argon und Neon im Stern selbst erkennen. Dieses Gas ist mit Staub und Molekülen versetzt, die schließlich zu den Bausteinen neuer Sterne und Planetensysteme werden. Einige der Trümmerfilamente sind selbst für das Webb-Teleskop nicht zu unterscheiden, was bedeutet, dass sie einen Durchmesser von 10 Milliarden Meilen (etwa 100 astronomische Einheiten) oder weniger haben. Zum Vergleich: Der Gesamtdurchmesser von CasA beträgt 10 Lichtjahre oder 60 Billionen Meilen.

Danny Milisavljevic von der Purdue University, der das Forschungsteam leitete, sagte: „Mit der Auflösung von NIRCam können wir jetzt sehen, wie der sterbende Stern bei seiner Explosion vollständig zersprang und Filamente zurückließ, die winzigen Glassplittern ähneln. Es ist wirklich unglaublich, dass wir diese Details nun endlich auflösen können, nachdem wir Cassiopeia A so viele Jahre lang studiert haben, und uns ein neues Verständnis davon geben, wie der Stern explodierte.“

Dieses Bild ist ein direkter Vergleich des Supernova-Überrests Cassiopeia A (CasA), aufgenommen mit der Nahinfrarotkamera (NIRCam) und dem Mittelinfrarotbildgeber (MIRI) des James Webb-Weltraumteleskops der NASA.

Webbs NIRCam-Bilder sind im Allgemeinen weniger farbenfroh als die MIRI-Bilder, aber das liegt einfach an den unterschiedlichen Wellenlängen des vom Himmelsmaterial emittierten Lichts. Aufgrund der höheren Auflösung sehen NIRCam-Bilder etwas klarer aus als MIRI-Bilder.

Der äußere Rand der Hauptinnenschale erscheint im MIRI-Bild dunkelorange und rot und sieht im NIRCam-Bild wie Lagerfeuerrauch aus. Dies ist ein Zeichen dafür, dass die Supernova-Explosionswelle auf das umgebende Peristellmaterial einwirkt. Staub im zirkumstellaren Material ist zu kühl, um bei Wellenlängen im nahen Infrarot direkt nachgewiesen zu werden, emittiert aber Licht im mittleren Infrarot.

In der Nahinfrarotansicht nicht sichtbar ist der grüne Halo im zentralen Hohlraum von CasA, der Licht im mittleren Infrarot aussendet und vom Team den Spitznamen „grüner Teufel“ trägt. Auf dem Bild des Nahinfrarot-Bildsensors sind jedoch kreisförmige Löcher im Inneren des Grünen Monsters sichtbar, wo sie durch weiße und violette Emissionen undeutlich umrissen sind.

Quellen: NASA, ESA, CSA, STScI, Danny Milisavljevic (Purdue University), IlseDeLooze (Universität Gent), TeaTemim (Princeton University)

verstecktes grünes Monster

Wenn Webbs neues Nahinfrarotbild von CasA mit dem Mittelinfrarotbild verglichen wird, ist es seltsam zu sehen, dass sowohl sein innerer Hohlraum als auch seine äußerste Hülle farblos sind.

Die Peripherie der Hauptinnenschale, die im mittleren Infrarotbild tief orange und rot erscheint, sieht jetzt aus wie Rauch von einem Lagerfeuer. Dies ist ein Zeichen dafür, dass die Supernova-Explosionswelle auf das umgebende Peristellmaterial einwirkt. Staub im zirkumstellaren Material ist zu kühl, um bei Wellenlängen im nahen Infrarot direkt nachgewiesen zu werden, emittiert aber Licht im mittleren Infrarot.

Forscher sagen, dass diese weiße Farbe das von Synchrotronstrahlung emittierte Licht ist, das das gesamte elektromagnetische Spektrum abdeckt, einschließlich des Nahinfrarotbandes. Es wird durch geladene Teilchen erzeugt, die sich mit extrem hoher Geschwindigkeit um magnetische Feldlinien drehen. Synchrotronstrahlung ist auch in einer blasenartigen Umhüllung in der unteren Hälfte der Kammer sichtbar.

Dieses vergrößerte Video zeigt die relative Position des Supernova-Überrests Cassiopeia A (CasA) am Himmel. Das Video beginnt mit einem bodennahen Foto des verstorbenen Astrofotografen Akira Fujii. Während es in einen kleineren Teil des Himmels hineinzoomt, wird es in ein Bild aus der Digital Sky Survey-Beobachtung eingeblendet. Schließlich wird das Bild in ein Bild von CasA übergeblendet, das mit der Nahinfrarotkamera des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA aufgenommen wurde, wobei dem Bild des Hubble-Weltraumteleskops der NASA ein Rand hinzugefügt wird.

In der Nahinfrarotansicht ist ein Ring aus grünem Licht im zentralen Hohlraum von CasA nicht sichtbar, der im mittleren Infrarot leuchtet und dem das Team den Spitznamen „grüner Teufel“ gab. Forscher beschrieben das Merkmal als „undurchdringlich“, als sie es zum ersten Mal beobachteten.

Während die „grüne“ Farbe des Grünen Kobolds in NIRCam nicht sichtbar ist, können Nahinfrarotrückstände in der Umgebung etwas Licht auf dieses mysteriöse Merkmal werfen. Die im MIRI-Bild sichtbaren kreisförmigen Löcher werden im NIRCam-Bild durch weiße und violette Emissionen undeutlich umrandet, die ionisiertes Gas darstellen. Forscher glauben, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass Supernova-Trümmer durch das Gas strömen und es formen, das vor der Explosion des Sterns zurückgeblieben ist.

Dieses Bild des Supernova-Überrests Cassiopeia A, aufgenommen mit Webbs Nahinfrarotkamera (NIRCam), zeigt Kompasspfeile, eine Maßstabsleiste und eine Farbskala als Referenz. Kompasspfeile, die nach Norden und Osten zeigen, zeigen die Ausrichtung des Bildes am Himmel an. Die auf der Skala angegebene Einheit ist das Lichtjahr, also die Entfernung, die das Licht in einem Erdenjahr zurücklegt. (Es dauert 3 Jahre, bis Licht eine Strecke zurücklegt, die der Länge des Maßstabsbalkens entspricht). Ein Lichtjahr entspricht etwa 5,88 Billionen Meilen oder 9,46 Billionen Kilometern. Dieses Bild zeigt unsichtbare Lichtwellenlängen im nahen Infrarotbereich, die in sichtbare Farben umgewandelt wurden. Der Chroma-Key zeigt, welche NIRCam-Filter beim Sammeln des Lichts verwendet wurden. Die Farbe jedes Filternamens wird verwendet, um die sichtbare Farbe des durch den Filter passierenden Infrarotlichts darzustellen. Quellen: NASA, ESA, CSA, STScI, Danny Milisavljevic (Purdue University), IlseDeLooze (UGent), TeaTemim (Princeton University)

Die Forscher waren auch von einem faszinierenden Merkmal in der unteren rechten Ecke des NIRCam-Sichtfelds verblüfft. Sie nannten die riesige, gestreifte Kugel BabyCasA, weil sie wie ein Nachkomme der Hauptsupernova aussieht.

Hierbei handelt es sich um ein Lichtecho, bei dem Licht einer vor langer Zeit entstandenen Sternexplosion auf entfernten Staub trifft und ihn erhitzt, wodurch der Staub beim Abkühlen zum Leuchten kommt. Die Forscher waren besonders neugierig auf die Feinheiten des Staubmusters und die offensichtliche Nähe von BabyCasA zu CasA selbst. Tatsächlich befindet sich BabyCasA etwa 170 Lichtjahre hinter dem Supernova-Überrest.

Überall in Webers neuem Bild sind mehrere weitere kleinere Lichtechos verstreut. Der Supernova-Überrest CasA befindet sich 11.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Kassiopeia. Aus unserer Sicht dürfte die Explosion vor etwa 340 Jahren stattgefunden haben.