Es war kein langsamer Tod – das Sterben des Sterns dauerte höchstens einige Stunden. Der Stern befand sich in einer 160 Millionen Lichtjahre entfernten Spiralgalaxie. Sein Kern kollabierte und löste damit eine Supernova-Explosion aus, die so hell leuchtete wie 100 Milliarden Sonnen. Kosmisch betrachtet handelte es sich um einen ziemlich gewöhnlichen Stern, vermutlich einen Roter Überriese mit etwa der zehnfachen Masse unserer Sonne. Doch am 6. Oktober 2013, als das Licht der Explosion die Erde erreichte, schrieb sein Tod Geschichte. Ein Robot-Teleskop registrierte das Aufleuchten von SN 2013fs, so die Katalognummer der Supernova – was für die Astronomen ein kosmischer Glücksfall war.

Seit Jahrhunderten zeichnen Menschen Supernovae auf. Im Jahr 185 v. Chr. beschrieben Beobachter in China einen hellen "Gaststern", der acht Monate lang am Himmel sichtbar war. Für die Astronomen der Renaissance wie Tycho Brahe und Johannes Kepler bewiesen diese plötzlichen himmlischen Ausbrüche, dass der Himmel nicht unveränderlich ist. Heute untersuchen Astronomen Supernovae, um zu verstehen, wie diese das Universum mit schweren Elementen anreichern, die anders nicht entstehen können. Doch trotz all dieser Aufmerksamkeit stellen Supernovae die Wissenschaftler immer noch vor viele Rätsel.

Die Forscher wissen zwar, dass die häufigste Art von Supernovae – genannt Typ II, zu ihnen zählt auch SN 2013fs – explodieren, wenn ein Stern keinen nuklearen Brennstoff mehr besitzt und sein Kern deshalb kollabiert. Doch die Einzelheiten dieses Prozesses liegen immer noch im Dunkeln. Zeigt ein sterbender Stern Anzeichen für seine bevorstehende Explosion? Wie kann eine Supernova so viel Energie in so kurzer Zeit ausstoßen? Und könnte es sein, dass es sich bei einigen Ereignissen, die wir als Supernova einstufen, tatsächlich um andere Arten von astrophysikalischen Katastrophen handelt?

"Wir wissen, es ist ein Stern zu Tode gekommen. Wir wollen genau verstehen, warum und wer der Täter ist"
Matteo Cantiello

Eine Beantwortung all dieser Fragen wird dadurch gebremst, dass Supernovae schwer aufzufinden und noch schwerer zu untersuchen sind. Pro Jahrhundert gibt es in einer Galaxie nur ein oder zwei Supernovae – unsere Milchstraße ist bereits einige hundert Jahre überfällig –, und wo sie aufleuchten, scheint rein zufällig zu sein. Die Astronomen müssen also ein großes Netz am Himmel auswerfen und abwarten, was sie darin fangen. Sobald ein viel versprechender Helligkeitsausbruch aufgespürt wurde, müssen sie Beobachtungszeit an großen, lichtstarken Teleskopen beantragen, um das Spektrum des Ereignisses zu untersuchen, seinen astrophysikalischen Fingerabdruck. Häufig müssen die Forscher Wochen oder gar Monate auf ihre Beobachtungszeit warten. Währenddessen verblasst das himmlische Feuerwerk. "Es ist eine Art stellarer Forensik", sagt Matteo Cantiello, Astrophysiker an der Princeton University und am Flatiron Institute der Simons Foundation. "Wir wissen, es ist ein Stern zu Tode gekommen. Wir wollen genau verstehen, warum und wer der Täter ist. Wir können uns die Leiche ansehen, doch viel besser wäre es, wir hätten Aufzeichnungen über die letzten Stunden im Leben des Sterns."

Dieses Mal ging sein Wunsch in Erfüllung. Schon drei Stunden nachdem das erste Licht der Supernova 2013fs die Erde erreicht hatte, registrierte die Palomar Transient Factory in Südkalifornien den hellen Blitz. Es war reines Glück, dass ein Team von Supernova-Jägern bereits Beobachtungszeit am großen Keck-Teleskop auf Hawaii gebucht hatte – für genau diese Nacht. Natürlich hatten die Forscher ganz andere Beobachtungen geplant, doch jetzt richteten Ofer Yaron, Astrophysiker am Weizmann Institute of Science in Israel, und sein Mitarbeiter Dan Perley, Forscher am California Institute of Technology, das Keck-Teleskop auf den gemeldeten Helligkeitsausbruch. Yarons Team gelang es außerdem, auch das Weltraumteleskop Swift auf das Objekt auszurichten, um Messungen im ultravioletten und im Röntgenbereich vorzunehmen.

Kann man den Sternentod vorhersehen?

Was die Forscher fanden, wurde zur Herausforderung für die seit Langem vorherrschenden Ansichten über Supernovae. "Bisher hätte jeder gesagt, es gibt keine Möglichkeit vorauszusagen, ob ein Stern innerhalb der nächsten 10 000 Jahre explodiert", sagt Stan Woosley, Astrophysiker an der University of California in Santa Cruz. Aber der Vorgängerstern der Supernova 2013fs hat möglicherweise schon Monate vor der Explosion Anzeichen seines bevorstehenden Todes gezeigt. "Manchmal warnen uns Sterne im Voraus vor ihrer Explosion", sagt Jim Fuller, Astrophysiker am Caltech. "Und wenn wir verstehen, wie wir diese Warnungen aufspüren können, dann können wir vielleicht vorhersagen, welche Sterne explodieren."

Als Yaron und seine Kollegen die ersten Daten der Supernova 2013fs auswerteten, sahen sie, dass der explodierte Stern von einer dichten Hülle aus Gas umgeben war. Das warf eine Frage auf: War dieses Gas bereits seit Dutzenden oder gar Hunderten von Jahren da, ein lange vergangener kosmischer Rülpser, der mit der Supernova nichts zu tun hatte? Oder war das Gas eine Folge desselben Prozesses, der zur Explosion als Supernova führte: eine geisterhafte Vorahnung eines bevorstehenden astrophysikalischen Gewaltakts?

Gemäß der traditionellen Theorie der Kernkollaps-Supernovae sieht ein Stern von außen ruhig aus, während sein Inneres in Aufruhr ist. Es ist schließlich der Kern des Sterns, der kollabiert. Der äußere Teil des Sterns, sein Mantel, explodiert erst, wenn der kollabierende Kern an sich selbst zurückprallt. "Wir erwarten also, dass es an der Oberfläche in den letzten Jahren eines Sterns keinerlei Anzeichen für die dramatischen Veränderungen im Kern gibt", sagt Anders Jerkstrand, Astrophysiker am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching.

Sterbende Sterne wie ein Vulkan

Im Verlauf des vergangenen Jahrzehnts haben jedoch einige Forscherteams postuliert, dass sterbende Sterne ihre äußeren Schichten lange vor der Explosion abstoßen. Ein Team, das Aufnahmen des Palomar-Observatoriums von 16 älteren Supernovae durchforstete, stieß auf kleinere Helligkeitsausbrüche bei fünf von ihnen in den Monaten vor der Detonation.

Yarons Beobachtungen der Supernova 2013fs sind der bislang deutlichste Hinweis darauf, dass sterbende Sterne in ihren letzten Monaten ungewöhnlich viel Gas ausstoßen. Der Forscher verglich die Anwesenheit der Gaswolke mit "einem Vulkan, der vor einer großen Eruption mehrere kleine Eruptionen hat und an seiner Oberfläche brodelt". Fünf Tage später, als die Stoßwelle der Supernova sich ausgebreitet hatte, war die zirkumstellare Materie vollständig verschwunden. "Möglicherweise zeigt ein großer Teil der Sterne zwischen 10 und 20 Sonnenmassen, die Supernovae des Typs II produzieren, solche eruptiven Massenverluste", sagt Yaron. Er vermutet, dass frühe Stoßwellen aus dem Kern des Sterns diesen Prozess verursachen könnten.

Allerdings sind nicht alle Astronomen davon überzeugt, dass das Gas in der Umgebung von SN 2013fs aus der Zeit unmittelbar vor der Explosion stammt. Rote Überriesen – also die Art von Sternen, die zu Supernovae wie SN 2013fs führen – "sind während ihres ganzen Lebens von Materie umgeben, und auch ihre Oberfläche ist mit dieser Materie verschmutzt", sagt Luc Dessart, Astrophysiker an der französisch-chilenischen Joint International Astronomy Unit an der Universidad de Chile. "Es gibt dort ganz viel Zeug." So ist beispielsweise der 430 Lichtjahre entfernte Rote Überriese Beteigeuze im Sternbild Orion von Gas umhüllt, das sich wohl seit langer Zeit dort befindet. Eines Tages wird Beteigeuze als Supernova explodieren, so Dessart. "Aber können wir vorhersagen, dass das nächstes Jahr passiert? Vermutlich nicht", stellt der Forscher fest.

Information vom Kern an die Oberfläche?

Um festzustellen, woher das Gas wirklich stammt, könnte man die Geschwindigkeit messen, mit der es sich vom Stern fortbewegt. Wenn es schnell ist, muss es in jüngster Zeit ausgestoßen worden sein. Im Fall der Supernova 2013fs sei klar, so Yaron, dass "die Geschwindigkeit größer ist als typische Windgeschwindigkeiten von Roten Überriesen, die bei etwa 10 bis 20 Kilometern pro Sekunde liegen." Doch die Messungen mit dem Keck-Teleskop liefern lediglich eine Obergrenze für die Geschwindigkeit, nicht ihren tatsächlichen Wert. Auf Basis der Spektren lässt sich also nicht sagen, ob sich das Gas mit "einem, 10 oder 100 Kilometern pro Sekunde bewegt", so Jerkstrand. Mit anderen Worten: Das Gas kann sich ebenso gut bereits seit sehr vielen Jahren um den Vorgängerstern herum befunden haben.

Möglicherweise hat der Stern, der zur Supernova 2013fs wurde, auch einen eruptiven Prozess durchgemacht, der in keinerlei Zusammenhang mit dem späteren Kernkollaps steht, so Jerkstrand. Denn schließlich gingen die Wissenschaftler traditionell davon aus, dass der Kern des Sterns seinen bevorstehenden Kollaps nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit in irgendeiner Form nach außen in seinen Wasserstoffmantel "kommuniziert". Der Stern ist sehr groß und massereich, deshalb würde eine solche Information Tausende von Jahren benötigen, um vom Kern bis an die Oberfläche zu gelangen.

Das stimmt aber nur, solange wir annehmen, dass diese Information durch Photonen transportiert wird, die in der optisch dichten Umgebung im Inneren eines Sterns stark gestreut werden. Stoßwellen könnten dagegen ausreichend Energie transportieren, um starke Effekte an der Oberfläche hervorzurufen, sagt Fuller. Im April 2017 veröffentlichte Fuller eine Untersuchung, die den Transport von Information durch den Stern unter diesem neuen Blickwinkel analysiert. "Es gibt andere Möglichkeiten, Energie zu transportieren, und eine davon sind Schallwellen", so der Forscher.

Brodelt es in einem sterbenden Stern wie im Kochtopf?

Fuller griff eine Idee auf, die Eliot Quataert, Astrophysiker an der University of California in Berkeley, bereits 2012 präsentiert hatte. Danach könnten akustische Wellen aus dem Zentrum eines Sterns Ausbrüche an der Oberfläche verursachen. Der Kern ist "wie ein Topf kochenden Wassers – wenn es stark kocht, kann man hören, dass das kochende Wasser Schallwellen in der Luft anregt", erläutert Fuller. Ähnlich könnte es im Kern kurz vor der Supernova-Explosion aussehen: Das Brodeln löst akustische Wellen aus, die große Mengen an Energie nach außen transportieren. Diese Wellen könnten dann kleine Ausbrüche an der Oberfläche verursachen, "die von den bisherigen Modellen der Sterne nicht vorhergesagt worden sind", so Fuller.

Sein neues Modell unterstützt damit Yarons Analyse des Gases um die Supernova 2013fs. "Seine Ergebnisse ähneln denen in meinen Modellen", sagt Fuller. "Das ermutigte mich anzunehmen, dass die Daten meine theoretische Arbeit bestätigen." Die unmittelbar nach der Explosion gewonnenen Spektren liefern uns aber nur Informationen über das Äußere der Supernova. Um zu sehen, was im Inneren vorgegangen ist und warum der Stern explodiert ist, muss man die Supernova ab der Zeit etwa 200 Tage nach der Explosion untersuchen, in der "Nebelphase", sowie noch viel später, in der "Überrestphase", erklärt Jerkstrand. Denn erst dann ist das Auswurfmaterial aus dem ursprünglichen Sterninneren so weit nach außen vorgedrungen, dass man es sehen kann. Man könnte sagen, der Stern wurde geradezu umgestülpt. Und in diesem Auswurfmaterial befinden sich die schweren Elemente, die als Bausteine für so viel in unserem Universum dienen – einschließlich des Lebens.

Bausteine des Lebens in umgestülpter Supernova

Ein Überrest, der derzeit genau vor unseren Augen entsteht, ist jener der Supernova 1987A, der nächstgelegenen Supernova seit mehr als 400 Jahren. Damals, im Jahr 1987, schien das Ereignis eine der zentralen Vorstellungen über Sternexplosionen zu bestätigen. Die Theorien über Supernovae des Typs II, zu denen die Supernova 1987A gehört, sagen voraus, dass der Kernkollaps einen massiven Strom von Neutrinos verursacht. Und in der Tat registrierten zwei Neutrinoexperimente auf der Erde unabhängig voneinander einen Schwall dieser Elementarteilchen, die unseren Planeten durchquerten.

Neutrinos sind notorisch schüchtern, sie wechselwirken mit anderen Teilchen nur über die schwache Kraft. In den vergangenen Jahren haben Theoretiker jedoch erforscht, welche Auswirkungen die Neutrinos auf die Supernova selbst haben. Da eine so große Zahl von Neutrinos aus dem Kern der Supernova kommt, reicht bereits ein kleiner Anteil davon, der von der Materie um den Kern reabsorbiert wird, um das Gas "heftig zum Kochen zu bringen, wie Suppe in einem Topf auf einem Herd", sagt Hans-Thomas Janka, Astrophysiker am Max-Planck-Institut für Astrophysik. "Das von den Neutrinos erhitzte Gas steigt in pilzförmigen Strukturen auf, die Atompilzen ähneln."

Übersichtsgrafik der Supernova SN 2013fs in der Galaxie NGC 7610
© Ofer Yaron, Weizmann Institute of Science
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernDie Supernova SN 2013fs in der Galaxie NGC 7610
In der rund 160 Millionen Lichtjahre von uns entfernten Galaxie NGC 7610 im Sternbild Pegasus wurde die Supernova SN 2013fs nur drei Stunden nach Beginn der Explosion entdeckt (Bild oben). Die Stoßwelle der Explosion sorgte für eine blitzschnelle Aufheizung und Ionisation einer zuvor vom Vorgängerstern ausgestoßenen Wolke aus Gas und Staub. Dabei wurden die in der Schale enthaltenen Elemente zur Aussendung charakteristischer Emissionslinien angeregt. Daraus lassen sich Rückschlüsse über das Verhalten des Vorgängersterns kurz vor der Explosion ableiten.

Dreidimensionale Computersimulationen von Supernovae konnten diesen Prozess mit seinen ungleichmäßigen, asymmetrischen Strukturen reproduzieren, so Janka. Die Modelle scheinen mit dem übereinzustimmen, was die Astronomen real bei der Supernova 1987A beobachten. Im Februar 2017 veröffentlichte ein Forscherteam neue Aufnahmen der Supernova 1987A. Die Astronomen hatten dafür Daten von drei Teleskopen miteinander kombiniert: dem Weltraumteleskop Hubble, dem Röntgenteleskop Chandra und ALMA, dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array auf dem Chajnantor-Plateau in der Atacamawüste in den nordchilenischen Anden. Die Bilder zeigen überraschenderweise eine weitere wichtige Folge von Supernovae: frisch gebildeten Staub.

"Zum Zeitpunkt der Explosion lag die Temperatur des Gases bei über einer Million Kelvin", sagt die Leiterin der Untersuchung Mikako Matsuura, Astronomin an der Cardiff University in Wales. In den seither vergangenen 30 Jahren ist das Gas auf einige zehn Kelvin abgekühlt. Handelte es sich ursprünglich um "ionisierte Atome – heißes Plasma –, so besteht es jetzt aus Molekülen und einigen neutralen Atomen." Damit ist es möglich, von der Supernova erzeugte Moleküle zu beobachten, die astrophysikalischen Samen für neue Sterne und Planeten.

Option Schwarzes Loch

Die Astronomen haben inzwischen einen ganzen Zoo unterschiedlicher Arten von Supernovae katalogisiert – von den thermonuklearen Explosionen des Typs Ia über die Typen Ib und Ic zu den Typen II-P, TI-P, II-L, IIn und mehr. Deshalb sollte man wohl nicht überrascht sein, wenn eine neu entdeckte Supernova nicht in die bisher beschriebenen Kategorien passt. Vergleicht man beispielsweise die Supernovae 1987A und 2013fs, so sind zwar beide Kernkollaps-Supernovae des Typs II. Doch während SN 2013fs die zurzeit besten Hinweise auf der Explosion vorausgehende Eruptionen auf der Sternoberfläche liefert, zeigte der Vorgängerstern von SN 1987A keinerlei Anzeichen des bevorstehenden Sternentods an seiner Oberfläche. Woosley hält das nicht unbedingt für einen Widerspruch. Es könnte seiner Ansicht nach lediglich auf eine neue Unterklasse von Supernovae hindeuten, die frühe Ausbrüche anzeigt. "Wir sind noch nicht sicher; aber wir wissen, dass SN 1987A nicht zu dieser neuen Klasse gehört. Der Stern verhielt sich das ganze Jahrhundert vor der Explosion ruhig."

Sowohl SN 1987A als auch SN 2013fs unterscheiden sich zudem dramatisch von einer weiteren Art von Kernkollaps-Supernova, die erst im vergangenen Jahrzehnt entdeckt wurde: von den unglaublich energiereichen Hypernovae. "Sie sind sehr selten und exotisch und 50-mal leuchtkräftiger" als andere Supernovae, sagt Mark Sullivan, Astrophysiker an der University of Southampton in England. Noch weiß niemand, worum es sich bei ihnen handelt oder was sie auslöst. Sie besitzen viel zu viel Energie, um wie normale Supernovae des Typs II durch Neutrinos angetrieben zu werden. Eine Idee, die gegenwärtig an Zuspruch gewinnt, sieht Magnetare als Ursache der Hypernovae – also schnell rotierende Neutronensterne mit starken Magnetfeldern. Solche Magnetare könnten durch einen normalen Kernkollaps entstehen und dann ihre Energie "an den Auswurf der Supernovae abgeben, ihn aufheizen und extrem hell aufleuchten lassen", sagt Sullivan. "Aber niemand weiß das wirklich."

"Glücklicherweise ist es sehr unwahrscheinlich, dass unserer Sonne eine solche Explosion bevorsteht"
Jacco van Loon

Kein Wunder also, dass diese extrem hellen Ereignisse für heftige Kontroversen unter den Forschern sorgen. Im Jahr 2015 verkündete ein Forscherteam die Entdeckung der "bislang leuchtkräftigsten Supernova", genannt ASASSN-15lh. Doch im Dezember 2016 behauptete ein anderes Team, die starke Strahlung von ASASSN-15lh stamme von einem Stern, der von den Gezeitenkräften eines rotierenden Schwarzen Lochs zerrissen worden ist, einem "tidal disruption event". Wie einer der Entdecker von ASASSN-15lh, Subo Dong vom Kavli Institute of Astronomy and Astrophysics der Universität Peking, unumwunden zugibt, "durchbricht das Ereignis das durch mehrere Dutzend Supernovae etablierte Muster". Doch er bleibt dabei, dass ASASSN-15lh einfach "ein extremes Mitglied" der Klasse der Hypernovae ist: ein weiterer Zweig des überraschend vielfältigen Stammbaums der Supernovae.

Eine ganze Reihe zukünftiger Teleskope soll den Forschern dabei helfen, mehr Supernovae frühzeitig zu entdecken und genauer untersuchen zu können. Eines davon, das Large Synoptic Survey Telescope mit seinem großen Gesichtsfeld, soll den gesamten sichtbaren Himmel alle drei Tage abscannen. Damit steigen die Chancen, Supernovae frühzeitig aufzuspüren. Und wenn eine solche Supernova auftaucht, könnten das James Webb Space Telescope und das Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte hoch aufgelöste Bilder und Spektren von ihr liefern. Bei einigen Sternen, die sich dem Ende ihres Lebens nähern, könnte es eines Tages tatsächlich möglich sein, "Frühwarnzeichen der bevorstehenden Explosion" zu entdecken, sagt Jacco van Loon, Astrophysiker an der Keele University in England. "Glücklicherweise", so merkt er an, "ist es sehr unwahrscheinlich, dass unserer Sonne ein solches Schicksal bevorsteht."

Logo Quanta Magazine
© Quanta Magazine
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernLogo des 'Quanta Magazine'

Der Artikel ist unter dem Titel "Lucky Break Leads to Controversial Supernova Discovery" am 5. Juli 2017 im "Quanta Magazine" erschienen.