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Facharbeit: Die Supernova 2014J in M82

von Julian Durnwalder



Mitte Jänner 2014 wurde in der Galaxie Messier 82 eine Supernova entdeckt, die Explosion eines Sterns. Dieses Ereignis war so hell, dass man trotz einer Entfernung von mehreren Millionen Lichtjahren bereits mit einem Amateurteleskop Beobachtungen durchführen konnte. Die Supernova hatte einige Besonderheiten, zum Einen war sie deutlich näher und damit auch heller als alle anderen Supernovae in den letzten Jahren, zum Anderen war es eine Typ Ia Supernova. Bei dieser Klasse von Supernovae handelt es sich um sog. "Standardkerzen". Mithilfe einer solchen "Standarderze" kann man die Entfernung zur Galaxie in der der Stern explodiert messen. Diese Chance lies ich mir nicht entgehen, wenige Tage nach der Entdeckung begann ich mit der Erstellung einer Lichtkurve, welche man zur Bestimmung der Entfernung benötigt. Hierbei wird die Helligkeit der Supernova gemessen und gegen die Zeit aufgetragen.

SN2014J with M82 and M81

Galaxie M82 (oben) mit SN2014J (oranger Stern rechts der Mitte der Galaxie) und M81 (Spiralgalaxie unten). Bild aufgenommen von der Astrogruppe.

Man benötigt dazu ein Teleskop mit CCD-Kamera an einem geeigneten Standort. Letzteres ist für diese Art von Beobachtungen besonders wichtig, da man über einen Zeitraum von mehreren Wochen gute Wetterverhältnisse haben muss. Aus diesem Grund wäre ein Standort in Mitteleuropa für dieses Projekt ungeeignet gewesen. Ich habe deshalb ein Teleskop von iTelescope verwendet. iTelescope ist eine Organisation, die es dem Nutzer erlaubt, Teleskope über das Internet zu nutzen. Zur Auswahl stehen Teleskope in den USA, Australien und Spanien. Ich habe mich für das Teleskop T21 entschieden. Dieses befindet sich in Mayhill, im US-Bundesstaat New Mexiko. Von dort aus ist die Galaxie Messier 82 relativ gut sichtbar und längere Schlechtwetterphasen sind sehr selten. Das Teleskop gehört zu den leistungsfähigsten Teleskopen die angeboten werden. Besonders die große Auswahl an Filtern und die für Photometrie gut geeignete CCD-Kamera waren für meine Arbeit wichtig. Ohne größere Probleme konnte ich genug brauchbare Daten sammeln.

SN2014J R-Band

Einzelbild der Galaxie M82 mit SN2014J durch einen Rot-Filter (R). Solche Bilder wurden für die Photometrie benutzt.

Nun folgte der anspruchsvollste Teil des Projekts, das Auswerten der Daten. Bevor ich die Helligkeit der Supernova in den Aufnahmen vermessen konnte, musste ich eine Reihe von systematischen Fehlern berücksichtigen. Diese sind durch die Eigenschaften der CCD-Kamera und der Optik bedingt. Um ein wissenschaftlich aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten, habe ich eine Datenreduktion durchgeführt. Ich habe hierfür Kalibrationsaufnahmen ("darks" und "flats") angefertigt. Zur Datenreduktion habe ich die Software PixInsight verwendet.

Um die Helligkeit der Supernova zu messen, habe ich die Software MuniWin verwendet. MuniWin erlaubt es eine Apertur-Photometrie durchzuführen. Die Software kann Sterne im Bild erkennen und diese auch in den verschieden Aufnahmen wiederkennen. Man kann die Helligkeit der Supernova nicht direkt messen, sondern lediglich den Helligkeitsunterschied zu einem konstanten Vergleichsstern im Bild. Ich musste deshalb mithilfe von Sternen mit bekannter Helligkeit auf die Helligkeit der Supernova schließen. Anschließend konnte ich endlich die Lichtkurve erzeugen, die die Helligkeitsentwicklung der Supernova im Verlauf der Zeit zeigt. Ich hatte durch vier Filter des Johnson-Cousins-Filtersets (BVRI) beobachtet, demzufolge gibt es vier Lichtkurven.

photometry results SN2014J

Die Ergebnisse der Photometrie der SN2014J in verschiedenen Filtern.

lightcurve SN2014J

Lichtkurven der SN2014J in verschiedenen Farbfiltern. Im Infraroten (I) zeigt sich der typische Helligkeitsanstieg zum zweiten Maximum.

Das Verwenden von verschiedenen Filtern war von großer Bedeutung, da das Licht der Supernova durch interstellaren Staub nicht nur abgeschwächt, sondern auch gerötet wird. Erst durch das Ermitteln der Rötung kann man auf die Abschwächung und damit auf die tatsächliche Helligkeit der Supernova schließen. Da angenommen werden kann, dass die tatsächliche Maximalhelligkeit einer Supernova bis auf kleine Abweichungen immer gleich ist, konnte ich durch Vergleich mit der scheinbaren Helligkeit die Entfernung der Supernova berechnen. Ich habe eine Entfernung von 3,26 Megaparsec ermittelt (ca. 10,6 Mio. Lichtjahre), die Abweichung zum Literaturwert von 3,53 Megaparsec beträgt dabei weniger als 10%.

Meine Arbeit zeigt, dass bereits mit einfacher Ausrüstung Entfernungsmessungen von nahen Galaxien möglich sind. Die vollständige Arbeit (39 Seiten, 6.6 MB, pdf-Format) kann unter dem nachfolgenden Link heruntergeladen werden:

Download facharbeit_SN2014J.pdf (6.6 MB)