Wie Sternenexplosionen das Weltall formten - wissenschaft.de
Anzeige
Anzeige

Astronomie+Physik

Wie Sternenexplosionen das Weltall formten

supernova.jpg
Während der Lebenszeit der Milchstraße hat es etwa hundert Millionen Supernova-Explosionen gegeben, die die Galaxis mit dem Sauerstoff, den wir atmen, dem Eisen in unseren Autos, dem Kalzium in unseren Knochen und dem Silizium in den Gesteinen der Erdkruste angereichert haben. Die explodierenden Sterne beeinflussen die Geburt neuer Sterne, sind die Quelle intensiver kosmischer Strahlung und mögen im frühen Universum dabei geholfen haben, Galaxien zu bilden.

In letzter Zeit, so berichtet der Astronom Adam Burrows von der University of Arizona im Wissenschaftsmagazin Nature (Vol. 403, 17. Feb. 2000, S. 727 – 733), stehen Supernovae in der Astronomie im Mittelpunkt des Interesses: Sie könnten dabei helfen, das alte Rätsel über die Herkunft der Gammablitze zu lösen. Ein bestimmter Typ, die sogenannten Ia Supernovae, wird neuerdings dazu benutzt, die Geometrie des Universums zu bestimmen – mit überraschendem Ergebnis.

Wie eine Supernova entsteht

Während Sterne wie die Sonne am Ende ihres Lebens langsam, über hunderttausende von Jahren, vom aufgeblähten Roten Riesen zum erkaltenden Weissen Zwerg werden, verabschieden sich schwerere Sterne mit einem Paukenschlag: Sie enden in einer Supernova.

Wenn solch einem Stern Wasserstoff und Helium als Brennstoffe ausgehen, wächst in seinem Innern, eingeschlossen von Schalen aus noch unverbrauchtem Wasserstoff und Helium, ein Weisser Zwerg, in dem schwerere Elemente wie Sauerstoff, Neon und Kohlenstoff zu Eisen und Magnesium verschmolzen werden. Wenn der Weisse Zwerg auf etwa 1,4 Sonnenmassen angewachsen ist, reicht sein Strahlungsdruck nicht mehr aus, um die nach innen ziehende Gravitation auszugleichen: Der Kern des Sterns implodiert und fällt mit einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit von der Größe der Erde zur Größe einer Stadt zusammen. Dabei nimmt der Kern eine größere Dichte ein als ein Atomkern – zehn Billionen Mal so dicht wie das dichteste Element Wolfram. Da Materie bei diesen Verhältnissen nicht mehr zusammengedrückt werden kann, prallt die implodierende Materie voneinander ab.

Anzeige

Der Kern dehnt sich wieder aus und kommt dem zusammenfallenden Mantel des Sterns entgegen. Wie ein Kolben treibt die explodierende Kernmaterie eine Schockwelle im Sternmantel vor sich her, die die Implosion nach einer kurzen Pause aufhält und die äußeren Schalen des Sterns schließlich absprengt. Das interstellare Medium wird mit frisch gebildeten schweren Elementen – etwa Sauerstoff, Kohlenstoff, Magnesium, Silizium, Kalzium, Schwefel und radioaktivem Nickel – überschwemmt.

Das sichtbare Feuerwerk einer solchen Explosion kann die umgebende Galaxis für Monate an Leuchtkraft übertreffen. Übrig bleibt meist ein 20 Kilometer großer Neutronenstern, der sich mit einer Periode von Millisekunden bis Sekunden um die eigene Achse dreht.

Der berühmteste Supernova-Rest ist der Pulsar im Crab-Nebel, der bei der historisch überlieferten Supernova im Jahr 1054 entstand. Diese Supernova war einige Wochen lang sogar tagsüber zu sehen.

Erst kürzlich haben Astronomen das Rätsel gelöst, wie die Explosion des Kerns die eigentliche Supernova-Explosion auslöst. Eigentlich dürfte die Kraft der Kernexplosion nicht ausreichen, um den kollabierenden Mantel aufzuhalten. Die Lösung, schreibt Burrows, scheinen Neutrinos zu sein: Obwohl diese geisterhaften Teilchen normalerweise mit anderer Materie kaum reagieren, sind sie im superdichten Vorläufer des Neutronensterns zum Teil gefangen. Während sich dieser Proto-Neutronenstern weiter umwandelt, entkommen die Neutrinos auf einen Schlag. Ein Teil dieser Neutrinos wird vom kollabierenden Mantel absorbiert und heizt diesen auf. Das bringt die eigentliche Explosion in Gang.

Das Rätsel der Gammablitze

Gammablitze gehören zu den geheimnisvollsten Erscheinungen des Universums: Sie dauern Bruchteile einer Sekunde oder höchstens Minuten und bestehen aus extrem energiereichen Photonen. Lange dachte man, dass sie innerhalb der Milchstraße entstehen. Welche kosmischen Objekte sie aussenden, war völlig unklar.

Erst 1997 entdeckte der Satellit Beppo-Sax ein optisches Gegenstück zu einem Gammablitz. Aus dem Spektrum ließ sich schließen, dass das Objekt sehr weit entfernt war und außerdem ionisiertes Eisen und Magnesium enthielt. Der später entdeckte Gammablitz GRB980245 stimmte genau mit einer ungewöhnlichen Supernova vom Typ Ic überein, die in einer nahegelegenen Galaxis explodierte. Nach Angaben von Burrows gibt es immer mehr Hinweise, dass ein Teil der Gammablitze von Supernovae erzeugt wird – allerdings vermutlich von extrem großen „Hypernovae“, in deren Innerem ein Schwarzes Loch entsteht.

Möglicherweise erzeugen schnell rotierende Supernovae durch magnetische Effekte oder die Paarbildung von Neutrinos und Antineutrinos einen relativistischen Strahl von Elektronen und Positronen, der die Hülle des Supernova-Vorgängers durchschlägt und den Gammablitz hervorruft. Danach erst folgt die eigentliche Explosion. Der genaue Mechanismus, durch den der Gammablitz entstehen könnte, ist allerdings noch unklar.

Supernovae als „Standardkerzen“

Wegen ihrer Helligkeit werden Supernovae neuerdings benutzt, um die Entfernung von weit entfernten Galaxien zu messen. Da man annimmt, dass die Entwicklung der absoluten Helligkeit solcher Explosionen festen Gesetzen folgt, kann man aus der scheinbaren Helligkeit auf ihre Entfernung schließen.

Zwei Forscherteams, die Supernova Research Group am Lawrence Berkeley National Laboratory und die High-Z Supernova Search Group an der Harvard University benutzen dazu die relativ seltenen, aber besonders hellen Supernovae vom Typ Ia. Erste Ergebnisse legen nahe, dass sich das Universum für immer ausdehnen wird. Offenbar beschleunigt sich die Ausdehnung sogar. Es muss also eine Kraft geben, die der Gravitation entgegen wirkt.

Die Gravitation sollte nach dem gesunden Menschenverstand dazu führen, das sich das Weltall irgendwann einmal wieder zusammenzieht. Die Kosmologen glauben, dass die von Einstein eingeführte „kosmologische Konstante“ diese auseinandertreibende Kraft sein könnte. Diese kosmologische Konstante würde die Expansion des Universums und damit sämtliche Materie, auch die Neutrinos und die noch rätselhafte dunkle Materie beherrschen. Das Universum hätte eine sogenannte „Vakuum-Energie“ – Materie, die nicht strahlt, nicht auf einzelne Partikel verteilt ist und auch keine dunkle Materie ist. Die Physiker haben noch keine gute Erklärung für die Quelle der Energie, die in der kosmologischen Konstante steckt. Im Augenblick sieht es so aus, als würde die kosmologische Konstante doppelt so viel Energie enthalten wie die gesamte Materie des Kosmos.

„Möglicherweise ist da eine neue Komponente des Weltalls entdeckt worden“, schreibt Burrows. „Wenn die Daten standhalten, haben Supernovae einen wesentlichen Beitrag zu der Entdeckung von etwas sehr, sehr Grundlegendem im Universum geleistet.“

Ute Kehse
Anzeige

bild der wissenschaft | Aktuelles Heft

Anzeige

Dossiers

Aktueller Buchtipp

Sonderpublikation in Zusammenarbeit  mit der Baden-Württemberg Stiftung
Jetzt ist morgen
Wie Forscher aus dem Südwesten die digitale Zukunft gestalten

Wissenschaftslexikon

Tra|chea  〈[–xea] f.; –, –che|en [–xen]; Anat.〉 = Luftröhre [lat. <grch. tracheia ... mehr

Me|nin|gi|tis  〈f.; –, –ti|den; Med.〉 = Gehirnhautentzündung [zu grch. meninx ... mehr

Gu|asch  〈f. 20〉 oV Gouache I 〈unz.〉 das Malen mit deckenden Wasserfarben, die mit Weiß u. Gummiarabikum versetzt sind ... mehr

» im Lexikon stöbern
Anzeige
Anzeige