Sternexplosionen als Elementlieferanten des Universums

Massereiche Sterne sind bereits nach einigen zehn Millionen Jahren am Ende ihrer Entwicklung angelangt und schleudern in einer gewaltigen Explosion fast ihre gesamte Materie ins Weltall hinaus – Stoff für neue Himmelskörper.

Besitzt ein Stern etwa zehnmal so viel Masse wie die Sonne, verbrennt er zunächst – wie alle anderen Sterne auch – in seinem Innern Wasserstoff zu Helium. Ist der Wasserstoff verbraucht, wird Helium zu Kohlenstoff verbrannt, Kohlenstoff schließlich zu Sauerstoff. So geht es über Silizium und Magnesium weiter bis zum Element Eisen. „Diese Brennphasen, die am Ende des Sternlebens ablaufen, vollziehen sich in wenigen Tagen beziehungsweise sogar nur Stunden. Das Siliziumbrennen selbst läuft in weniger als einem Tag ab und bildet dann im Inneren des Sternes den Eisenkern. Dieser Eisenkern kann nicht beliebig groß werden – er wird instabil, sobald seine Masse eine bestimmte Grenzmasse erreicht hat und kollabiert, um einen Neutronenstern zu bilden“, erklärt Hans-Thomas Janka vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching.

Der Krebsnebel

Ein Neutronenstern hat mehr Masse als die Sonne, ist aber nur etwa zwanzig Kilometer groß – in ihm ist die Materie also extrem dicht gepackt. Nur der Eisenkern wird zum Neutronenstern, die restlichen neunzig Prozent der Sternmasse fliegen in einer gewaltigen Explosion, einer Supernova, nach außen. Dabei verteilen sich nicht nur die im Stern entstandenen Stoffe vom Kohlenstoff bis zum Eisen im All: In den dramatischen Momenten der Explosion entstehen bei extrem hohen Energien auch schwere Elemente wie Gold, Silber, Titan, Uran und so weiter. Alle chemischen Elemente, die schwerer als Eisen sind, können nur unmittelbar bei solchen Explosionen entstehen.

Den Astronomen des US-Röntgensatelliten Chandra sind Überreste solcher Katastrophen so wichtig, dass sie das „First Light“ des Satelliten mit der rund 11.000 Lichtjahre entfernten Röntgenquelle Cassiopeia A feierten. Diese Supernova hätte auf der Erde vor rund 320 Jahren zu beobachten sein müssen – allerdings hat Ende des 17. Jahrhunderts anscheinend niemand die Sternexplosion bemerkt, denn es gibt keinerlei Aufzeichnungen. Vermutlich fand die Explosion hinter einem dichten Staubschleier statt, sodass auf der Erde nicht viel Licht ankam.

Supernova-Überrest Cassiopeia A

Mithilfe des Satelliten Chandra dokumentierten Wissenschaftler die fein strukturierte Gashülle um den Supernovaüberrest, deren Durchmesser etwa zehn Lichtjahre beträgt. Aus den aufgenommenen Röntgenspektren ließ sich die chemische Zusammensetzung der Wolke ableiten. So sind die äußeren Bereiche des Nebels überraschend eisenreich. Überraschend deshalb, weil Eisen tief im Innern eines Sterns entstanden sein muss. Siliziumreiches Gas, das in den oberen Sternschichten erzeugt wird, fanden die Astronomen dagegen noch immer nahe dem Zentralstern. Offenbar schoss das Eisen bei der Explosion sehr schnell aus dem Stern heraus und überholte die ursprünglich äußeren Hüllen des Sterns.

Durch die Explosion wurden riesige Mengen an Materie in den umgebenden Weltraum hinausgeschleudert. Während das heiße Gas zunächst mit einigen tausend Kilometern pro Sekunde ins All strömt, wird es in einigen hunderttausend Jahren genügend abgekühlt sein, um Bestandteil neuer Sterne und Planeten zu werden. Hätte es vor der Entstehung des heimischen Sonnensystems vor viereinhalb Milliarden Jahren nicht zahllose Supernovae gegeben, wäre unser Leben undenkbar.

Trotz ihrer wichtigen Rolle im Universum, wissen Astronomen noch immer nicht genau, wie die Explosionen ablaufen. Denn bis sie die helle Supernova sehen, ist die tatsächliche Explosion schon vorbei. Den Forschern bleibt nur der Blick auf die leuchtenden Reste, bedauert Hans-Thomas Janka: „Um aus dieser Information Rückschlüsse zu ziehen auf die Vorgänge, die bei der Explosion und möglicherweise auch in den letzten Sekunden vor der Explosion abgelaufen sind, brauchen wir theoretische Modelle. Wir müssen also mit diesen theoretischen Modellen sozusagen zurückrechnen aus den beobachteten Eigenschaften der Explosion auf das, was im tiefsten Innern des explodierten Sterns vor sich gegangen ist.“

Supernova 1987A

Im Innern des Sterns scheinen Neutrinos die überragende Rolle zu spielen. Sie enthalten 99 Prozent der beim Kollaps des Sterns frei gesetzten Energie. Nur ein Prozent geht in die Explosion, davon wiederum nur ein Prozent in sichtbares Licht. Die Astronomen sehen also nur die Spitze des Eisbergs – und rätseln bis heute, was genau die Explosion antreibt.

Neutrinos könnten eine Antwort liefern, denn sie tragen wirklich Informationen aus dem Zentrum der Explosion. Allerdings lassen sich die Elementarteilchen nur mit viel Aufwand nachweisen, da sie praktisch ungestört durch Materie hindurchgehen. Auch Gravitationswellen – winzige Störungen in Raum und Zeit, die laut Theorie bei der Entstehung eines Neutronensterns auftreten – könnten den Forschern wichtige Hinweise geben. Bisher wurden sie aber noch nie direkt nachgewiesen.

Die Supernova-Forscher stecken also in der Klemme: Das Licht ist zwar fast durch das ganze All zu sehen, enthält aber kaum Informationen über die Sternexplosion selbst. Neutrinos und Gravitationswellen kommen aus dem Zentrum der Explosion, sind aber bei den weit entfernten Objekten, mit denen es die Astronomen in jeder Nacht zu tun haben, auf der Erde nicht mehr nachzuweisen. So haben Hans-Thomas Janka und seine Kollegen alle einen Traum: Eine Supernova mitten in unserer Milchstraße.