Realistische synthetische Spektren für Supernovae als Werkzeug für die Quantifizierung der empirischen kosmologischen Konstanten bzw. der "dunklen Energie"

• Applicant: Professor Dr. Adalbert Wilhelm Alois Pauldrach (†)
• Subject Area: Astrophysics and Astronomy
• Term: from 2008 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 50622562

In den letzten Jahren hat sich die Vorstellung von den grundlegenden physikalischen Abläufen im Universum auf drastische Weise geändert. Die Tatsache, dass wir in einem Universum leben, das zum überwiegenden Teil von unbekannten Einflüssen dirigiert wird, stellt dabei einen der aufregendsten Forschungsansätze dieses Jahrhunderts dar. Zu dieser Erkenntnis führten Beobachtungen, die nachdrücklich deutlich machen, dass nicht die Materie als Energieform das Universum steuert, sondern eine davon unabhängige Form von "dunkler Energie".Der Grundstein für diese Aussage basiert auf der Annahme, dass Supernovae vom Typ la (SN la) sich hinsichtlich ihrer Leuchtkräfte wie Standardkerzen verhalten. Damit kann durch die Beobachtung der scheinbaren Supernovahelligkeit direkt auf die Entfernung geschlossen werden, wobei die Expansionsgeschwindigkeit des Raumes, zum Zeitpunkt der Explosion, aus der Rotverschiebung des Lichtes folgt. Das schlichte Auftragen der Entfernung gegenüber der Rotverschiebung eines entsprechenden Samples von Supernovae manifestiert den Paradigmenwechsel. Das Ergebnis zeigt, dass sich die Expansion des Universums nicht wie vermutet verlangsamt, sondern beschleunigt. Dies ist der entscheidende Hinweis, dass das Universum von einer mysteriösen "dunklen Energie" dominiert wird, die der Gravitation entgegenwirkt. Bei der Quantifizierung dieser Aussage stößt man allerdings auf Detailprobleme. Als entscheidender Punkt muss dabei hinterfragt werden, inwieweit Supernovae vom Typ la wirklich perfekte Entfernungsindikatoren sind, und zwar dahingehend, dass die Explosionen, unabhängig vom Entwicklungsstadium des Universums, tatsächlich immer zur selben Leuchtkraft führen.In diesem Projekt sollen daher als Schwerpunkt realistische synthetische Spektren für Typ la Supernovae modelliert werden. Das Ziel dabei ist, mögliche Quellen für systematische Fehler hinsichtlich der Kalibrierung dieser Objekte als "Standardkerzen" aufzudecken. Dabei soll hinterfragt werden, ob das Verhalten von beobachteten Typ la Supernovae im lokalen Universum auf Objekte bei mittleren Rotverschiebungen exakt übertragbar ist. Tatsächlich zeigt das vorhandene Beobachtungsmaterial Anzeichen dafür, dass Typ la Supernovae Entwicklungseffekten unterliegen. So scheinen die Expansionsgeschwindigkeiten in Spiralgalaxien und elliptischen Galaxien unterschiedlich zu sein, und auch die Leuchtkraft scheint mit dem Ort der Explosion und dem Typ der Galaxie zu korrelieren. Anhand der Entstehung, Zusammensetzung und Stärke der spektralen Signaturen sowie ihrer Empfindlichkeit gegenüber den maßgeblichen modellspezifischen physikalischen Größen soll darauf zurück geschlossen werden, ob die nukleare Verbrennung von den Details der chemischen Zusammensetzung des explodierenden Sterns oder aber den Zündbedingungen der Explosion abhängt und sich dadurch die Helligkeit der Supernovae systematisch aufgrund der chemischen Evolution oder geprägt von Umgebungseffekten verändern kann.Das Hauptaugenmerk dieses Projektes liegt somit auf dem Aspekt der Erzeugung und dem Transport von Strahlungsenergie in den expandierenden Hüllen von Typ la Supernovae. Hierzu ist festzustellen, dass trotz deutlicher Fortschritte in den letzten Jahren die derzeitige Qualität der berechneten synthetischen Spektren den Status von realistischen Simulationen noch nicht erreicht hat. Dieses Defizit soll hier abgebaut werden. Als Ausgangsbasis dafür steht ein vom Antragsteller und seiner Gruppe entwickelter NLTE-Strahlungstransportcode zur Verfügung, der bereits seit einigen Jahren erfolgreich für die Spektraldiagnostik heißer Sterne eingesetzt wird, und auch auf dem Gebiet der Supernovahüllen, bei denen die Simulation des Strahlungstransportes durch viele Besonderheiten beeinflusst wird, den derzeitigen Status mitprägt.Als weiterer Aspekt dieses Projektes soll die weiterentwickelte Methode auch auf Core-Collapse Supernovae angewendet werden. Ausgangspunkt dafür ist die Erkenntnis, dass hochenergetische Gamma-Stahlen- Ausbrüche (Gamma-Ray-Bursts, GRBs), die aufgrund ihrer enormen Helligkeit auch bei Entfernungen jenseits der Typ la Supernovae beobachtbar sind, ebenfalls Anzeichen für ein Standardkerzenszenario aufzeigen. Obgleich das physikalische Verständnis hinsichtlich der Natur dieser Phänomene noch sehr bescheiden ist, konnte in einigen Fällen eine Verbindung zu der Explosion einer bestimmten Klasse von Core-Collapse Supernovae hergestellt werden. Darauf basierend könnte ein tieferes Verständnis der physikalischen Prozesse in Core-Collapse Supernovae auch Einblicke in die Physik von GRBs gestatten. Für die Erarbeitung dieses Zusammenhänge stellen realistische Strahlungstransportmodelle zur Analyse von Core-Collapse Supernovae ein unverzichtbares Werkzeug dar.

• DFG Programme: Research Grants