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Lexikon der Astronomie: Hypernova

Ein Begriff, der in Anlehnung an den der Supernova geprägt wurde. Astronomen verstehen unter Hypernova also ein verwandtes Phänomen, eine Sternenexplosion noch gewaltigeren Ausmaßes.

Das Leben schwerer Sterne

Betrachten wir das Schicksal eines sehr massereichen Sterns, beispielsweise eines Wolf-Rayet-Sterns: Wie aus der Stellarphysik bekannt ist, haben massereiche Sterne eine recht kurze 'Lebensphase'. Der Grund ist letztlich die hohe Masse, denn sie ruft über den Gravitationsdruck, der das Sternplasma heftig zusammenpresst, enorm hohe Temperaturen im Sterninnern hervor. Durch diese Hitze laufen die thermonuklearen Fusionsprozesse sehr schnell ab; die Fusion kann auch bis zum schwersten Elementen führen, das Sterne in der stellaren Nukleosynthese herstellen können: Eisen. Irgendwann liegt also ein massereicher Stern mit einem Eisen-Nickel-Kern vor, in dessen Sternschalen leichtere Elemente fusioniert werden. Aber wie geht es weiter? Der Stern hat nun ein Problem, weil im Innern keine schwereren Elemente verschmolzen werden können. Die zentrale Energiequelle versiegt, das hydrostatische Gleichgewicht wird empfindlich gestört und die Gravitation gewinnt nun gegenüber dem Gas- und Strahlungsdruck im Sternkern.

Der Kollapskrimi

Die Folge: der Sternkern stürzt in sich zusammen. Dieser Vorgang heißt Gravitationskollaps. In diesem Stadium wird der massereiche, sterbende Stern Kollapsar genannt. Voraussetzung für eine Hypernova ist nun, dass der kollabierende Sternkern schwer ist als etwa drei Sonnenmassen (konservative Grenze; vielleicht ist dieser Zahlenwert etwas kleiner, wie unter Neutronenstern diskutiert wird). Dann nämlich besagt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, dass nichts die Gravitation aufhalten kann: der massereiche Sternkern wird zum stellaren Schwarzen Loch.
Von all diesen Vorgängen tief im Innern des Sterns haben die Sternhüllen 'noch gar nichts gemerkt'. Der Kollaps des Sternkerns ging so schnell, dass in den trägen Sternschalen weiter die Fusionsreaktionen leichter Elemente ablaufen. Nun geschieht etwas, was ein klarer Unterschied zu den Vorgängen in einer Supernova ist: das gerade geborene Schwarze Loch wird aktiv! Der Parasit im Sternkern sammelt nun das umgebende Sternmaterial auf, und es bildet sich ein Akkretionsfluss aus. Dieser Materiestrom nimmt durch die Rotation die Gestalt einer Scheibe, der so genannten Standardscheibe an. Die hier ablaufenden Prozesse müssen mit den Methoden der allgemein relativistischen Magnetohydrodynamik (GRMHD) beschrieben werden. Das Schwarze Loch muss übrigens ein Kerr-Loch sein, weil es bei seiner Entstehung die Rotation des Sternmaterials (seinen Drehimpuls) angenommen hat. Durch die Akkretion wird es 'weiter aufgezogen' und rotiert mit spezifischen Drehimpulsen von etwa a ~ 0.9 M – also nahe am Maximalwert. Man kann sich leicht vorstellen, dass ein Materie aufsammelndes Schwarzes Loch, kein gutes Ende für den mittlerweile ausgehöhlten, massereichen Stern bedeuten kann.

gewaltigste Sternexplosion

Die Folgen sind spektakulär! Die Astrophysiker wissen, dass akkretierende Schwarze Löcher nicht nur alles verschlingen. Sie beobachten bei den Radiogalaxien und den radiolauten Quasaren ausgeprägte und beinahe lichtschnelle Jets. Diese Materiestrahlen werden vom supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum des jeweiligen Aktiven Galaktischen Kerns (AGN) in die Weite des Alls geschossen. Dieselbe Physik geschieht im Innern eines schweren, sterbenden Sterns! Das aktive, stellare Schwarze Loch schießt zwei ultrarelativistische Jets auf die umgebenden Sternhüllen! Sie zeigen etwa entlang der Rotationsachse des Kerr-Loches. Diese fast lichtschnellen Teilchenstrahlen haben einen Lorentz-Faktor von etwa 100 bis 1000 – mehr als bei den AGN. Die Jets verdrängen das einfallende Material, brechen durch die Sternoberfläche durch und zerstören damit auch die Sternhüllen. Dann breiten sie sich mit enorm großer Geschwindigkeit in der Umgebung des ehemaligen Sterns aus. Dabei wird die umgebende Materie geschockt und unglaublich heiß, etwa 10 Milliarden Kelvin. Es breiten sich nun Schockwellen aus, und da es in der Umgebung auch Magnetfelder gibt, wird nun entlang der Schockfronten Synchrotronstrahlung emittiert. Genau das ist zu Beginn des Ausbruchs die Hypernova, die spektakulärste Sternexplosion. Die Astrophysiker favorisieren, dass diese Hypernovae gerade als langzeitige Gamma Ray Bursts (GRBs)) in Erscheinung treten. Dieses so genannte Collapsar model wurde von MacFadyen & Woosley 1999 publiziert. Im Lexikoneintrag GRB sind weitere Einzelheiten nachzulesen. Außerdem gibt es dort eine Illustration des anisotropen Feuerballmodells, das die Ausbreitung der beiden Jets illustriert.

Der Sternenmops η Car

Superstern Eta Carinae im Homunculus-Nebel Ein aussichtsreicher Kandidat für eine Galaktische Hypernova ist der 'Superstern' η Carinae (gesprochen: 'eta karinä'), der etwa 100 Sonnenmassen aufweist. η Carinae befindet sich im Sternbild Carina (dt. Schiff) am Südhimmel und ist 7500 Lj entfernt. Das Bild rechts zeigt eine Komposit-Aufnahme aus optischen und ultravioletten Beobachtungsdaten des sehr aktiven Sterns, die mit dem Weltraumteleskop Hubble gewonnen wurde (Credit: Jon Morse, University of Colorado, and NASA, 1996). η Carinae gehört zu einer speziellen Sternklasse, den leuchtkräftigen, blauen Veränderlichen (engl. Luminous Blue Variables, LBVs) und ist in vielerlei Hinsicht ein besonderer Stern. 1841 erreichte die Erde das Licht, das verriet, dass sich bei η Carinae eine heftige Explosion ereignet haben muss. Der Stern strahlte dabei soviel Licht ab, wie bei einer Supernova, überstand jedoch erstaunlicherweise die Explosion. Das Relikt dieser Explosion ist der Homunculus Nebel, eine bipolare plus einer scheibenartigen Struktur, die den Stern verhüllen. Im ultravioletten und blauen Spektralbereich ist das ausgeworfene Material allerdings durchsichtig, wie die Abbildung eindrucksvoll belegt: Hier kann η Carinae durchscheinen.

η Car – eine kosmische Gefahr?

Es ist eine interessante Frage, ob dieser Stern eine Gefahr für die Menschheit darstellen könnte, sollte er als Gamma Ray Burst eines Tages aufleuchten. Wie bei radioaktiven Prozessen im Rahmen des Strahlenschutzes, kann man die Gefährlichkeit von GRBs für Leben berechnen: Eine Abschätzung für die Äquivalentdosis bei bekannten Parametern und plausiblen Annahmen (z.B. ein 100 Sekunden dauernder Burst) ergibt einen Wert von etwa 1 Sv (Sievert), bezogen auf einen Tag. Dies entspricht fast dem 300fachen der üblichen Jahresbelastung (3 mSv) eines Menschen. Generell wissen Radiologen, dass eine kurzzeitige Ganzkörperbestrahlung von über 7 Sv nach wenigen Tagen zum Tode führt. Bei einem wirklich langen GRB von etwa 1000 Sekunden wäre also die Gefährdung irdischen Lebens durch η Carinae tatsächlich nicht von der Hand zu weisen!

Zur Bedrohung von Leben durch GRBs gibt es noch eine andere Spekulation: Vor 440 Millionen Jahren, als das Erdzeitalter Ordovizium ins Silur überging, soll ein GRB für ein Massensterben gesorgt haben (Melott et al. 2003, astro-ph/0309415). Die Paläontologie dokumentiert, dass eine besondere Form von Urkrebsen, Trilobiten, im ordovizischen Zeitalter Opfer einer großflächigen Vernichtung wurden. Melott et al. erklären dies zumindest anteilig durch einen GRB, der nur etwa eine Minute gedauert haben möge. Die Folge dieses kosmischen Ereignisses sei eine radioaktive Kontamination durch Gammastrahlen gewesen, die 'nur' die dem GRB zugewandten Seite der Erde betraf. Die Gammastrahlung wird in einem solchen Szenario zum Teil von der Erdatmosphäre absorbiert, erreicht aber auch die Meeres- und Erdoberfläche. Hier seien vor allem Lebewesen der oberen Schichten von Gewässern der Strahlung ausgesetzt gewesen. Die eine Konsequenz sei das ordovizische Massensterben gewesen; eine andere, dass es zu einer globalen Abkühlung des Erdklimas gekommen sei ('nuklearer Winter'). Das habe das Wachstum von Gletschern forciert. GRBs können über folgende Kausalkette für eine globale Abkühlung sorgen: Die hochenergetische Gammastrahlung ionisiert Schichten der Hochatmosphäre. Molekularer Stickstoff stellt bekanntermaßen den größten Anteil im Gasgemisch Luft. Bei der Ionisation von Stickstoffmolekülen entstehen aggressive Stickstoffverbindungen, wie Stickstoffdioxid. Stickstoffdioxid wiederum ist ein guter Absorber für Sonnenlicht, wie Klimaforscher zeigen konnten. Die Absorption unterbindet die Erwärmung der Erdatmosphäre und -oberfläche: Es wird global kälter. In der Tat schließt sich an das Ordovizium eine Kälteperiode an.
Die Gefährlichkeit von GRBs für die Biosphäre und ihr Einfluss auf die Evolution von irdischem Leben sind somit diskutabel.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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