Wie entstehen Supernovae?

Zwei Mechanismen gelten derzeit als mögliche Auslöser für Supernovae. Der erste erklärt, wie Supernovae in bestimmten Doppelsternsystemen entstehen. Dort saugt demnach ein Weißer Zwerg das Material seines Begleitsterns auf. Hat der Zwerg zu viel Masse angesammelt, erhitzt er sich immer stärker, und es zerreißt ihn schließlich in einer thermonuklearen Explosion.

Bei den bekannteren Supernovae vom Typ II verbrennt zunächst der gesamte Wasserstoff eines Sterns zu Helium. Das Helium fusioniert unter dem Druck der Gravitation des Sterns weiter. So geht das mit immer schwereren Elementen, bis schließlich ein Kern aus Eisen, umgeben von Schalen der verschiedenen leichteren Elemente entsteht. Das Eisen im Kern verschmilzt nicht weiter, und der Fusionsprozess stoppt. Dadurch wirkt der Schwerkraft des Sternmaterials keine stabilisierende Kraft mehr entgegen. Der Eisenkern stürzt mit einer Geschwindigkeit von 70 000 Kilometern pro Sekunde in sich zusammen, knapp einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit. Man spricht von einem Gravitationskollaps.

Da gleichzeitig das Material des Sterns von außen auf seinen harten, implodierenden Eisenkern stürzt und von dort nach außen zurückprallt, kommt es zu einer explosionsartigen Stoßwelle. Die schleudert das Material des Sterns mit bis zu 30 000 Kilometern pro Sekunde ins All.

Die Zeitskalen verkürzen sich dabei immer mehr. Wenn ein Stern auszubrennen beginnt, dauert es über die verschiedenen Fusionsprozesse immer schwererer Elemente Millionen Jahre bis zum Gravitationskollaps. Der geschieht dann aber in einer Viertelsekunde. Anschließend kann eine Supernova über Tage, Wochen und Monate so hell glühen, dass ihr Schein auf der Erde nachweisbar ist. Übrig bleibt ein stellarer Kadaver in Form eines Sternennebels und – je nach Masse – bei leichteren Vorgängern ein Neutronenstern und bei schwereren ein Schwarzes Loch.

Was können sie?

Supernovae leuchten für einen kurzen Moment heller als die hunderte Milliarden Sterne einer Galaxie zusammen. Während ihrer Explosion wird Energie in einer Größenordnung frei, wie sie unsere Sonne während ihrer gesamten Lebensdauer von zehn Milliarden Jahren umsetzt. Die Überbleibsel der Sternexplosionen gehören zu den beeindruckendsten Objekten im All. Besonders berühmt für ihre Schönheit sind der Krebsnebel, dessen Supernova im Jahr 1054 mit bloßem Auge für 23 Tage am helllichten Tag von der Erde aus zu sehen war, wie chinesische Astronomen damals verzeichnet haben, und die Überreste der von Tycho Brahe am 11. November 1572 gefundenen Supernova.

Brahe war es auch, der den Begriff "Nova" einführte. Er hielt die helle Explosion für einen neuen Stern. Die moderne Bezeichnung einer Supernovae setzt sich zusammen aus "SN" für Supernova, dem Jahr der Entdeckung und angehängten Buchstaben, mit denen durchgezählt wird. Zuerst folgt man dem Alphabet. Sollte das in einem Jahr mal nicht reichen, kommen doppelte Kleinbuchstaben zum Zug: aa, ab, ac und so weiter. Früher war es kaum nötig, überhaupt Buchstaben anzuhängen, da Supernovae sehr selten häufiger als einmal jährlich entdeckt wurden. Doch mit dem Einzug von Großteleskopen und speziellen Suchalgorithmen stieg die Zahl der Entdeckungen auf mittlerweile mehrere hundert jährlich.

In Supernovae finden auch hochenergetische kernphysikalische Prozesse statt, die jeden irdischen Teilchenbeschleuniger blass aussehen lassen. So sind die berstenden Sterne effektive Neutrinofabriken. 99 Prozent der Energie einer Typ-II-Supernova stecken nicht in ihrer Strahlung, sondern in ausgesendeten Neutrinos.

Wie häufig sind Sternexplosionen?

Genau weiß das niemand, und es ist gar nicht so leicht abzuschätzen, aber in jeder Sekunde finden im Universum wohl mindestens 30 Supernovae statt . In der Milchstraße kommt es statistisch gesehen allerdings nur zweimal in 100 Jahren zu einer solchen Sternenexplosion. Die letzte ist bereits mehr als 400 Jahre her. Der berühmte Astronom Johannes Kepler war Augenzeuge – und hielt die Supernova, die heute offiziell SN 1604 heißt, irrtümlich für einen neuen Stern. Man kennt sie deshalb auch als "Keplers Supernova" oder "Keplers Stern". Sie leuchtete in etwa 20 000 Lichtjahren Entfernung von uns auf, im Sternbild Schlangenträger. Kepler war allerdings nicht der Entdecker "seiner" Supernova. Er erblickte sie erst am 17. Oktober 1604, doch bereits mehr als eine Woche zuvor, am 9. Oktober hatten sie zwei Italiener als Erste beobachtet.

Tychos Supernova SN 1572
© NASA / CXC / Rutgers / J.Warren & J.Hughes et al.
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernTychos Supernova SN 1572
Diese Aufnahme des Röntgenteleskops Chandra zeigt die Überbleibsel der Supernova, die Tycho Brahe im November 1572 beobachtet hat. Der blaue Rand in diesem Falschfarbenbild besteht aus der Strahlung hochenergetischer Elektronen, die eine Millionen Grad heiße Plasmawolke umhüllen.

Was nützen sie uns?

Ohne Supernovae gäbe es uns überhaupt nicht. Genau genommen gäbe es fast gar nichts. Denn alle Elemente, die schwerer sind als Eisen, entstehen durch Sternexplosionen. Wenn der Eisenkern einer Typ-II-Supernova kollabiert und sich die Stoßwelle, mit der das Material vom Sternenkern abprallt, nach außen durch die Sternhülle bewegt, entstehen immense Energien, die auch schwerere Atomkerne als Eisen erzeugen und diese sodann übers All verstreuen. Wir – und alles um uns herum – bestehen also tatsächlich aus Sternenstaub.

Typ-Ia-Supernovae dienen zudem als Standardkerzen in der Astronomie. Mit ihnen lassen sich Entfernungen genau bestimmen, da sie eine sehr gut bekannte Helligkeitsentwicklung durchmachen. Dieses Wissen half dabei, die beschleunigte Expansion des Universums nachzuweisen. Wenn man eine Typ-Ia-Supernova zu verschiedenen Zeitpunkten beobachtet, ihre Strahlungsintensität vermisst und mit der zu erwartenden Helligkeitsentwicklung vergleicht, kann man feststellen, ob sich so eine Supernova auf den Beobachter zu oder von ihm weg bewegt. Denn dabei würde sich die relative Helligkeit am Ort des Beobachters erhöhen oder verringern. Über solche Analysen konnte man bei verschiedenen Typ-Ia-Supernovae feststellen, dass sie sich von uns wegbewegen – und das immer schneller, je weiter sie von uns entfernt sind. Für diesen Beleg der beschleunigten Expansion des Universums gab es 2011 den Physiknobelpreis.

Zudem erwartet man, dass Supernovae Quellen der erst kürzlich erstmals direkt nachgewiesenen Gravitationswellen sind. Die kombinierte Messung der Gravitationswellen und der elektromagnetischen Strahlung einer Supernova könnte helfen, den Aufbau des Universums besser zu verstehen.

Supernova-Rekorde

Die erste Supernova, über die es Aufzeichnungen gibt, heißt SN 185 und wurde folglich im Jahr 185, genauer am 7. Dezember jenes Jahres beobachtet, und zwar von chinesischen Astronomen.

SN 1885A explodierte im Andromeda-Nebel und war damit die erste Supernova außerhalb der Milchstraße, die man registriert hat. Ihre Entfernung betrug etwa 2,6 Millionen Lichtjahre.

SN 2015L – so heißt die wohl hellste Supernova, die jemals entdeckt wurde. Die Explosion strahlte so hell wie 570 Milliarden Sonnen. Zudem war sie heißer als alle bekannten vergleichbaren Ereignisse.

1984 entdeckte man mit einem Radioteleskop die Überreste der bislang jüngsten Supernova, für die es in der Milchstraße Hinweise gibt. Diese befinden sich etwa 25 000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Schütze und werden mit dem schönen Namen "G1.9+0.3" bezeichnet. Die zu der Sternenexplosion gehörende Strahlung erreichte vermutlich vor etwa 140 Jahren die Erde, das lässt sich aus Form und Größe der Überreste schließen.