10. Dezember 2023: JWST Geheimnisvolle Merkmale verbergen sich im Nahinfrarotlicht

Wie ein glänzendes, rundes Ornament, das bereit ist, an der perfekten Stelle auf einem Weihnachtsbaum platziert zu werden,
schimmert der Supernova-Überrest Cassiopeia A (Cas A) in 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 allerersten Adventskalender des Weißen Hauses vor.
Um die „Magie, Wunder und Freude“ der Weihnachtszeit zu präsentieren, feiern Dr. Biden und die NASA mit diesem neuen Bild von Webb.

Obwohl alles hell ist, ist diese Szene keine sprichwörtliche stille Nacht.
Webbs NIRCam-Ansicht (Near-Infrared Camera) von Cas A zeigt diese Sternexplosion in einer Auflösung,
die bei diesen Wellenlängen bisher unerreichbar war.
Dieser hochauflösende Blick enthüllt komplizierte Details der sich ausdehnenden Materialhülle,
die auf das Gas prallt, das der Stern vor seiner Explosion abgegeben hat.

Cas A ist einer der am besten untersuchten Supernova-Überreste im gesamten Kosmos.
Im Laufe der Jahre haben boden- und weltraumgestützte Observatorien, darunter das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA,
das Hubble-Weltraumteleskop und das ausgemusterte Spitzer-Weltraumteleskop, ein Multiwellenlängenbild des Überrestes des Objekts erstellt.

Allerdings sind Astronomen nun in eine neue Ära bei der Erforschung von Cas A eingetreten.
Im April 2023 begann Webbs MIRI (Mid-Infrared Instrument) dieses Kapitel und enthüllte neue und unerwartete Merkmale innerhalb
der inneren Hülle des Supernova-Überrests.
Viele dieser Merkmale sind im neuen NIRCam-Bild unsichtbar, und Astronomen untersuchen, warum.


Bild: NASA

Die neue Sicht des James Webb-Weltraumteleskops der NASA auf Cassiopeia A (Cas A) im Nahinfrarotlicht gibt Astronomen Hinweise auf die
dynamischen Prozesse, die innerhalb des Supernova-Überrests ablaufen.
Winzige Klumpen in leuchtendem Rosa und Orange bilden die innere Hülle der Supernova und bestehen aus Schwefel, Sauerstoff, Argon und Neon
des Sterns selbst.
Ein großer, gestreifter Fleck in der unteren rechten Ecke des Bildes mit dem Spitznamen „Baby Cas A“ ist eines der wenigen Lichtechos,
die im Sichtfeld von NIRCam sichtbar sind.
In diesem Bild wurden Rot, Grün und Blau den NIRCam-Daten von Webb bei 4,4, 3,56 und 1,62 Mikrometern (F444W, F356W bzw. F162M) zugeordnet.


„Wie Glasscherben“

Infrarotlicht ist für unsere Augen unsichtbar, daher übersetzen Bildprozessoren und Wissenschaftler diese Lichtwellenlängen in sichtbare Farben.
In diesem neuesten Bild von Cas A wurden Farben verschiedenen Filtern von NIRCam zugewiesen,
und jede dieser Farben weist auf unterschiedliche Aktivitäten innerhalb des Objekts hin.

Auf den ersten Blick erscheint das NIRCam-Bild möglicherweise weniger farbenfroh als das MIRI-Bild.
Dies kommt jedoch lediglich auf die Wellenlängen an, in denen das Material des Objekts sein Licht aussendet.

Die auffälligsten Farben in Webbs neuestem Bild sind Klumpen in leuchtendem Orange und Hellrosa, die die innere Hülle des Supernova-Überrests bilden.
Webbs messerscharfe Sicht kann die kleinsten Gasklumpen erkennen, die aus Schwefel, Sauerstoff, Argon und Neon im Stern selbst bestehen.
In diesem Gas ist eine Mischung aus Staub und Molekülen eingebettet, die schließlich zu Bestandteilen neuer Sterne und Planetensysteme werden.
Einige Trümmerfilamente sind zu klein, um selbst von Webb aufgelöst zu werden, was bedeutet,
dass sie einen Durchmesser von etwa 10 Milliarden Meilen (etwa 100 astronomische Einheiten) oder weniger haben.
Im Vergleich dazu erstreckt sich Cas A insgesamt über einen Durchmesser von 10 Lichtjahren oder 60 Billionen Meilen.

„Mit der Auflösung von NIRCam können wir jetzt sehen, wie der sterbende Stern bei seiner Explosion vollständig zersprang und Filamente zurückließ,
die winzigen Glassplittern ähnelten“, sagte Danny Milisavljevic von der Purdue University, der das Forschungsteam leitet.
„Es ist wirklich unglaublich, nach all den Jahren, in denen wir Cas A untersucht haben, nun diese Details zu klären,
die uns einen transformativen Einblick in die Explosion dieses Sterns liefern.“


Bild: Cassiopeia A NIRCam/MIRI


Bild: NASA

Dieses Bild bietet einen direkten Vergleich des Supernova-Überrests Cassiopeia A (Cas A), aufgenommen mit der NIRCam (Near-Infrared Camera)
und dem MIRI (Mid-Infrared Instrument) des James Webb-Weltraumteleskops der NASA.
Objekte im Weltraum offenbaren unterschiedliche Aspekte ihrer Zusammensetzung und ihres Verhaltens bei unterschiedlichen Wellenlängen.
Die Ränder der inneren Haupthülle von Cas A, die im MIRI-Bild in tiefem Orange und Rot erschienen,
sehen im NIRCam-Bild wie Rauch von einem Lagerfeuer aus.
Der Staub in der zirkumstellaren Materie, auf den die Stoßwelle trifft, ist zu kühl, um im nahen Infrarotbereich direkt erkannt zu werden,
leuchtet aber im mittleren Infrarotbereich auf.
In der Nahinfrarotansicht ist auch die grüne Lichtschleife im zentralen Hohlraum von Cas A nicht zu sehen,
die im mittleren Infrarot leuchtet und vom Forschungsteam den Spitznamen „Grünes Monster“ trägt.



Verstecktes grünes Monster

Wenn man Webbs neue Nahinfrarotansicht von Cas A mit der Mittelinfrarotansicht vergleicht,
sind sein innerer Hohlraum und seine äußerste Hülle seltsamerweise farblos.

Die Ränder der inneren Haupthülle, die im MIRI-Bild in tiefem Orange und Rot erschienen, sehen jetzt aus wie Rauch von einem Lagerfeuer.
Dies markiert die Stelle, an der die Supernova-Druckwelle in umgebendes zirkumstellares Material eindringt.
Der Staub im zirkumstellaren Material ist zu kühl, um bei Wellenlängen im nahen Infrarot direkt nachgewiesen zu werden, leuchtet aber im mittleren Infrarot.

Forscher sagen, dass die weiße Farbe Licht von Synchrotronstrahlung ist, die im gesamten elektromagnetischen Spektrum,
einschließlich des nahen Infrarots, emittiert wird.
Es wird durch geladene Teilchen erzeugt, die sich mit extrem hoher Geschwindigkeit spiralförmig um magnetische Feldlinien bewegen.
Auch in den blasenartigen Hüllen in der unteren Hälfte des inneren Hohlraums ist Synchrotronstrahlung sichtbar.

In der Nahinfrarotansicht ist auch die grüne Lichtschleife im zentralen Hohlraum von Cas A nicht zu sehen,
die im mittleren Infrarot leuchtete und vom Forschungsteam den Spitznamen „Grünes Monster“ erhielt.
Dieses Merkmal wurde von den Forschern zum Zeitpunkt ihres ersten Blicks als „herausfordernd zu verstehen“ beschrieben.

Während das „Grün“ des Grünen Monsters in NIRCam nicht sichtbar ist, können die Überreste im nahen Infrarot dieser Region Aufschluss über
das mysteriöse Merkmal geben.
Die kreisförmigen Löcher, die im MIRI-Bild sichtbar sind, sind im NIRCam-Bild schwach in weißer und violetter Emission umrandet,
dies stellt ionisiertes Gas dar.
Forscher gehen davon aus, dass dies auf die Supernova-Trümmer zurückzuführen ist, die durch den Stern strömten und Gas formten,
das der Stern vor seiner Explosion zurückgelassen hatte.


Bild: NASA

Dieses Bild hebt mehrere interessante Merkmale des Supernova-Überrests Cassiopeia A hervor,
wie er mit Webbs NIRCam (Nahinfrarotkamera) zu sehen ist:
Die hervorragende Auflösung der NIRCam ist in der Lage, winzige Gasknoten aus Schwefel, Sauerstoff,
Argon und Neon vom Stern selbst zu erkennen;
Kreisförmige Löcher, die im MIRI-Bild innerhalb des Grünen Monsters sichtbar sind,
sind im NIRCam-Bild schwach in weißen und violetten Emissionen umrandet;
Ein Beispiel für ein Lichtecho, wenn das Licht der Explosion des Sterns vor langer Zeit entfernten Staub erreicht hat und diesen erwärmt,
der beim Abkühlen leuchtet;
Ein besonders komplexes und großes Lichtecho, das von Forschern „Baby Cas A“ genannt wird.



Baby Cas A

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

Hierbei handelt es sich um ein Lichtecho, bei dem das Licht der Explosion des Sterns vor langer Zeit den entfernten Staub erreicht hat und ihn erwärmt,
der beim Abkühlen leuchtet.
Die Komplexität des Staubmusters und die offensichtliche Nähe von Baby Cas A zu Cas A selbst sind für Forscher besonders faszinierend.
Tatsächlich befindet sich Baby Cas A etwa 170 Lichtjahre hinter dem Supernova-Überrest.

Es gibt auch mehrere andere, kleinere Lichtechos, die über Webbs neues Porträt verstreut sind.

Der Supernova-Überrest Cas A befindet sich 11.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Kassiopeia.
Aus unserer Sicht ist es schätzungsweise vor etwa 340 Jahren explodiert.