Eine Nova ist ein flüchtiges, aber heftiges astronomisches Ereignis: In einem engen Doppelsternsystem überträgt ein Begleitstern Materie auf einen Weißen Zwerg, die sich dabei stark aufheizt. Erreicht das einfallende Material, meist Wasserstoffgas, eine kritische Temperatur, zünden Fusionsprozesse auf der Oberfläche des Weißen Zwergs. Es kommt zur thermonuklearen Explosion, deren Folgen dramatisch sind: Die frei werdende Energie treibt die umliegenden Gashüllen auseinander und beschleunigt sie auf Geschwindigketien von bis zu einigen Tausend Kilometern pro Sekunde. Binnen weniger Stunden oder Tage steigt die Helligkeit des Systems sprunghaft um viele Größenordnungen oder Magnituden an – teils bis zur Sichtbarkeit mit bloßem Auge. Ein scheinbar neuer Stern erscheint am Himmel – daher die ursprüngliche Bezeichnung »stella nova« (lateinisch für »neuer Stern«).

Ein Weißer Zwerg ist der extrem verdichtete Überrest eines sonnenähnlichen Sterns. Kaum größer als ein Planet, erreichen seine Oberflächentemperaturen dennoch mehrere Zehntausend Grad Celsius. Sein Begleiter ist meist ein Roter Riese, ein sonnenähnlicher Stern in den letzten Zügen seiner Existenz. Seltener handelt es sich um einen masseärmeren Hauptreihenstern, einen sogenannten Roten Zwerg. In beiden Fällen ist der Begleitstern infolge der starken gravitativen Wirkung des nahen Weißen Zwergs nicht mehr in der Lage, seine äußeren Gashüllen »festzuhalten«.

Der Massenakkretion des Weißen Zwergs sind jedoch Grenzen gesetzt. Überschreitet er das Chandrasekhar-Limit von etwa 1,4 Sonnenmassen, bevor die Nova-Explosion zündet und das Material fortschleudert, kann er seinem eigenen Gravitationsdruck nicht mehr standhalten und kollabiert: Die nachfolgende Supernova vom Typ Ia zerreißt den Himmelskörper vollständig.

Einen Nova-Ausbruch übersteht der Weiße Zwerg dagegen in aller Regel intakt. Im Prinzip kann sich eine Nova so lange wiederholen, wie Materialnachschub vom Begleitstern nachkommt. Dies ist der entscheidende Unterschied zur Supernova. Letztere löscht den Vorläuferstern mit einem Schlag vollständig aus (Supernova vom Typ Ia) oder bildet ein neues kompaktes Objekt (Kernkollaps-Supernova und Supernova vom Typ II), wie einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch (siehe SuW 3/2020). Supernovae treten daher auch deutlich seltener auf – nur eine bis vier pro Jahrhundert und pro Galaxie. Novae dagegen kommen bis zu 50-mal pro Jahr und Galaxie vor und lassen sich sogar mit einiger Zuverlässigkeit vorhersagen: Von der etwa alle 80 Jahre wiederkehrenden Nova T Coronae Borealis (T CrB) wurden Ausbrüche in den Jahren 1217, 1787, 1866 und 1946 dokumentiert – der nächste Ausbruch könnte somit in diesem Jahr erfolgen (siehe SuW 2/2024).

Komplizierter als gedacht

Lange Zeit galten Novae als vergleichsweise einfache Prozesse. In den vergangenen Jahren zeigte sich jedoch, dass viele Novae überraschend viel Gammastrahlung aussenden. Bei über 20 galaktischen Novae konnte mit dem Large Area Telescope auf dem weltraumgestützten Gammateleskop Fermi der NASA innerhalb der ersten 15 Betriebsjahre routinemäßig Gammastrahlung im hochenergetischen Gigaelektronenvoltbereich beobachtet werden – ein direkter Hinweis auf die Existenz starker Stoßwellen oder Schocks und komplexer Wechselwirkungen innerhalb des ausgeworfenen Materials.

Jüngere Modelle legen nahe, dass diese Schocks in den Auswürfen selbst entstehen – genauer gesagt an der Schnittstelle von mindestens zwei Ausstoßphasen. Geschwindigkeiten des Materials von bis zu 10 000 Kilometern pro Sekunde sind dabei nicht unüblich. Doch hier tut sich bereits das nächste Problem auf, denn obwohl die freigesetzte Energie bei der Nova gewaltig ist, reicht dies allein nicht unbedingt aus, um das gesamte Material vollständig aus dem Gravitationsbereich des Doppelsternsystems zu beschleunigen. Es muss also ein zusätzlicher Mechanismus im Spiel sein.

Zwei dieser Gammastrahlen emittierenden Novae hat ein internationales Forschungsteam um die Astronomen Elias Aydi von der Texas Tech University und John D. Monnier von der University of Michigan daher nun genauer unter die Lupe genommen: die sich rasant entwickelnde Nova V1674 Her im Sternbild Herkules sowie die bezogen auf die Lichtkurve langsamere V1405 Cas im Sternbild Kassiopeia. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift »Nature« veröffentlicht. Für seine Untersuchungen nutzte das Team das Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA) Array am Mount Wilson Observatory in Kalifornien und die Methode der Nah-Infrarot-Interferometrie. Dabei werden mehrere Teleskope zu einem virtuellen Riesenteleskop zusammengeschaltet, das im Fall von CHARA Beobachtungsdaten vor allem im Nahinfraroten liefert.

Das Team war so in der Lage, Strukturen der Novae von wenigen Tausendstel Bogensekunden Winkelgröße aufzulösen – und das nur wenige Tage bis Wochen nach dem Ausbruch. Eine Bogensekunde ist der 3600. Teil eines Grades. Es sind die detailreichsten Bilder, die je von solchen Ereignissen aufgenommen wurden. »Diese Beobachtungen erlauben es uns, einer Sternexplosion in Echtzeit zuzusehen – etwas, das äußerst komplex ist und lange als extrem schwierig galt«, so Aydi. »Es ist, als würde man von einem grobkörnigen Schwarz-Weiß-Foto zu einem hochauflösenden Video wechseln.«

»Es ist, als würde man von einem grobkörnigen Schwarz-Weiß-Foto zu einem hochauflösenden Video wechseln.«Elias Aydi, Astronom

Zu den diskutierten Möglichkeiten des Materialauswurfs gehört einerseits eine Vielzahl von Materieausflüssen, die durch die fortlaufenden Fusionsprozesse auf der Oberfläche des Weißen Zwergs angetrieben werden – das sogenannte Multiple-Ejection-Szenario. Andererseits könnten die austretenden Gase aber auch Energie aus der Bahnbewegung des Begleiters selbst ziehen. Eingebettet in eine gemeinsame, dichte Gashülle um das Doppelsternsystem kann der Begleiter über einen längeren Zeitraum – in der sogenannten Common-Envelope-Phase – Drehimpuls auf das ausgestoßene Material übertragen. Schließlich wird dieses mit hoher Geschwindigkeit aus dem System geschleudert – deutlich verzögert zum eigentlichen Nova-Ausbruch. Für beide Prozesse fanden sich entsprechende Kandidaten in unserer Galaxis.

Der Fall V1674 Her

Die eine Seite der Extreme repräsentiert die Nova V1674 Her (Nova Herculis 2021) vom 12. Juni 2021. Sie ist rund 15 500 Lichtjahre von der Erde entfernt und war eine der am schnellsten ablaufenden Novae überhaupt. In weniger als 16 Stunden erreichte sie ihr Helligkeitsmaximum, verlor innerhalb eines Tages jedoch wieder ganze zwei Magnituden an Helligkeit.

Bereits zwei und drei Tage nach der Entdeckung des Ausbruchs gelangen mit dem CHARA-Array erste Aufnahmen (siehe »Die Nova V1674 Her im Detail«). Diese zeigten eine unerwartet klare Geometrie – doch keineswegs die perfekt kugelsymmetrische Expansion des Gases. Nahe der Bahnebene des Doppelsternsystems zeichnete sich eine dichtere, ellipsoidale Struktur an Materieauswürfen ab, die den früheren und langsameren Ausflüssen zugeschrieben wird. Nur einen Tag später schießt eine zweite, deutlich schnellere Ausstoßphase in nahezu senkrechter Richtung durch diese hindurch. Spektraldaten ergaben extrem hohe Geschwindigkeiten des Materials zwischen 3800 und 5500 Kilometern pro Sekunde. Dort, wo beide Komponenten aufeinandertreffen, entstehen Stoßfronten – jene Regionen, die offenbar für die beobachtete Gammastrahlung verantwortlich sind. Diese Konfiguration stimmt bemerkenswert gut mit dem Multiple-Ejection-Szenario überein, berichtet das Forschungsteam.

Der Fall V1405 Cas

Völlig gegensätzlich entwickelte sich die Nova V1405 Cas, die rund 5600 Lichtjahre von der Erde entfernt ist (siehe »Die Nova V1405 Cas im Detail«). Sie brauchte etwa 53 Tage, um ihr Helligkeitsmaximum zu erreichen, und blieb danach für rund sieben Monate konstant hell. Beobachtungen mit dem CHARA-Array wurden an Tag 53 und 55 sowie zwei Wochen später an Tag 67 durchgeführt.

Die ersten beiden Aufnahmen zeigten eine zentrale Quelle mit kaum sichtbarem Auswurfmaterial in der Umgebung. Tatsächlich ist sie für mehr als 95 Prozent der gesamten Emission verantwortlich; mögliche Auswürfe können demnach nur einen Bruchteil zur Helligkeit beigetragen haben. Das Problem dabei: Die Spektralanalyse im Optischen und Infraroten mit CHARA ergab Geschwindigkeiten zwischen 700 und 1500 Kilometern pro Sekunde kurz vor dem Helligkeitsmaximum. Hätte sich die Nova-Hülle von Beginn an mit dieser Rate ausgedehnt, müsste die emittierende Region an Tag 53 einen Radius von 23 bis 46 Astronomischen Einheiten (AE) aufweisen. Der tatsächlich gemessene Radius beträgt jedoch nur etwa 0,85 AE.

Das Forschungsteam kommt daher zu dem Schluss, dass der Großteil der Nova-Hülle 53 bis 55 Tage nach der Eruption nicht vollständig ausgestoßen war. Wahrscheinlich war das Material über 50 Tage lang in einer gemeinsamen Hülle um das Doppelsternsystem gefangen, während die Nova langsam zu ihrer maximalen Helligkeit anstieg. Der eigentliche Ausstoß erfolgte erst danach, so das Team.

In der letzten Beobachtungsphase des CHARA-Arrays, 67 Tage nach dem Ausbruch, zeigt sich die entsprechende Veränderung: Nur noch 45 bis 50 Prozent der Emission stammten von der zentralen Quelle. Der Rest rührte von einer weit ausgedehnten Struktur her. Über zwei Monate nach dem erstmals beobachteten Ausbruch, an Tag 74, registrierten die Weltraumteleskope Swift und Fermi schließlich Röntgen- und Gammastrahlenemission.

Auch dieses Szenario ist laut dem Forschungsteam im Einklang mit der Multiple-Ejection-Theorie zur Erklärung der Schockwellen und der daraus resultierenden Gammastrahlenemission. Zusätzlich, so vermuten die Forschenden, könnte die Umlaufbewegung des Begleiters eine entscheidende Rolle dabei gespielt haben, Drehimpuls und Energie auf das Material zu übertragen und die gemeinsame Gashülle schließlich verzögert abzustoßen.

Labore für extreme Physik

Die hochauflösenden Bilder beider Novae liefern direkte Beobachtungsbeweise dafür, dass diese ihr Material nicht in einem einzigen explosiven Akt verlieren. Stattdessen können mehrere und verzögerte Auswürfe und sogar Phasen auftreten, in denen ein Begleiter das Material zunächst festhält, um es schließlich mit höherer Energie herauszuschleudern. Dieser dynamische Prozess kann sich über Tage, Wochen oder sogar Monate erstrecken. Noch fehlt es an genügend Exemplaren, um zweifelsfrei zu belegen, dass Phänomene wie der verzögerte Ausstoß der Hülle weitverbreitet bei Novae sind; zukünftige astronomische Beobachtungen zielen daher darauf ab, die Stichprobe der untersuchten Novae deutlich zu vergrößern.

»Novae sind mehr als nur kosmische Feuerwerke in unserer Galaxie – sie sind Laboratorien für extreme Physik«, so Laura Chomiuk von der Michigan State University und Co-Autorin der Arbeit. Der große Vorteil: Sie spielen sich in unserer galaktischen Nachbarschaft ab und entwickeln sich auf menschlich beobachtbaren Zeitskalen. Gleichzeitig erlauben sie Einblicke in ein breites Spektrum an fundamentalen Prozessen wie Stoßphysik, Teilchenbeschleunigung und Wechselwirkungen in Doppelsternsystemen. »Indem wir sehen, wie und wann Material ausgestoßen wird, können wir endlich die Zusammenhänge zwischen den Kernreaktionen auf der Sternoberfläche, der Geometrie des ausgeworfenen Materials und der hochenergetischen Strahlung herstellen, die wir aus dem All registrieren.«