Supernova

Eine Supernova ist eine gewaltige Explosion eines Sterns, die für mehrere Wochen so hell wie eine ganze Galaxie strahlt. Grundsätzlich werden Supernovae durch die Beobachtung zwei Arten zugeordnet. Wenn die Spektren Wasserstofflinien zeigen, spricht man von Supernovae des Typs II, andernfalls von solchen vom Typ I. Die Theorie unterscheidet ebenfalls zwei verschiedene Prozesse, die zu Supernovaexplosionen führen. Bei sogenannten Kernkollaps-Supernovae stürzt der zentrale Eisenkern eines massereichen Sterns am Ende der Sternentwicklung in sich zusammen und bildet einen Neutronenstern, bisweilen auch ein Schwarzes Loch. Im Gegensatz dazu bleibt bei der Supernovaexplosion eines Weißen Zwergs kein kompakter Überrest, sondern der Stern wird komplett zerrissen und breitet sich als diffuse Gaswolke mit einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit in den interstellaren Raum aus. Supernovae spielen eine wichtige Rolle bei der Erzeugung schwerer Elemente durch Kernreaktionen und sind Quellen der kosmischen Teilchenstrahlung. Sie sind entscheidend am Kreislauf und bei Heizprozessen des Gases in Galaxien beteiligt.

Ein Neutronenstern ist ein Stern mit etwa der Masse der Sonne und einem Durchmesser von nur 20 Kilometern. Neutronensterne sind die kompakten Überreste von Supernovaexplosionen massereicher Sterne. Sie entstehen aus dem kollabierenden Eisenkern dieser Sterne, wenn das nukleare Feuer im Innern der Sterne erloschen ist. Die Materie in Neutronensternen besteht hauptsächlich aus Neutronen, die aufgrund der gewaltigen Gravitation dichter gepackt sind als in Atomkernen.

Stoßwellen oder Stoßfronten sind Unstetigkeiten in Flüssigkeits- oder Gasströmungen, an denen Dichte, Druck und Geschwindigkeit Sprünge aufweisen. Stoßfronten entstehen dann, wenn sich Gegenstände mit Überschallgeschwindigkeit durch ein Medium bewegen, zum Beispiel in der Luft wenn ein Flugzeug schneller als der Schall fliegt. Bei Supernovaexplosionen sehr massereicher Sterne entsteht die Stoßwelle dadurch, daß Gas mit Überschallgeschwindigkeit auf den im Zentrum entstehenden Neutronenstern fällt.

Neutrinos sind Elementarteilchen, deren Existenz von W. Pauli im Jahr 1930 postuliert wurde, um die Energieerhaltung bei Kernreaktionen zu gewährleisten. Der direkte experimentelle Nachweis hat rund 30 Jahre auf sich warten lassen. Neutrinos gibt es in drei unterschiedlichen "Flavours'' (flavour, engl.: Geschmack). Sie sind ladungsneutral, haben eine Masse, die wahrscheinlich mehr als hunderttausendmal kleiner als die des Elektrons ist, und wechselwirken mit Materie äußerst schwach. In astrophysikalischen Objekten entstehen sie in Kern- und Teilchenprozessen bei extremen Dichten und Temperaturen, zum Beispiel im frühen Universum, im Zentrum von Sternen und in Supernovaexplosionen.

Die Entstehung schwererer Elemente durch Verschmelzung leichter Atomkerne in Kernreaktionen nennt man Kernbrennen. Bei den extrem hohen Temperaturen, die im Innern der Sterne vorherrschen, haben Atomkerne so hohe Bewegungsenergien, dass sie die gegenseitige Abstoßung aufgrund ihrer positiven Ladungen überwinden können. Daher werden Kernreaktionen möglich, bei denen schwerere Elemente durch Verschmelzung leichterer Atomkerne entstehen. Gleichzeitig werden große Energiemengen freigesetzt. Auf diese Art und Weise liefert das nukleare Feuer die Energie, die Sterne als Licht abstrahlen, aber auch den Druck, um der Gravitationsanziehung über Jahrmilliarden hinweg das Gleichgewicht zu halten. Im Zentrum der Sonne und aller anderen Sterne wird zunächst Wasserstoff in Helium umgewandelt. Bei massereichen Sternen werden dann in einer Folge von kürzeren Brennstadien bei zunehmend höheren Zentraltemperaturen immer schwerere Atomkerne erbrütet, bis schließlich Eisen entstanden ist, das Element mit der höchsten Kernbindungsenergie pro Nukleon.

Am 23. Februar 1987 entdeckten Astronomen in der Großen Magellanschen Wolke, einer Nachbargalaxie unserer Milchstraße, einen "neuen'' Stern mit schnell zunehmender Helligkeit. Eine Supernova war explodiert. Seit Keplers Supernova von 1604 war keine so nah und mit bloßem Auge sichtbar. Supernova 1987A, wie sie benannt wurde, bot den Astronomen die einzigartige Gelegenheit, den Tod des blauen Riesensterns Sanduleak - 69-202 aus nur 167 tausend Lichtjahren Entfernung zu verfolgen. Obwohl der strahlende Schein der Explosion längst verloschen ist, bietet Supernova 1987A noch immer einen grandiosen Anblick. Sie ist von Ringen aus leuchtendem Gas umgeben. Ein innerer, dicker Ring liegt in der Äquatorebene. Zwei größere, aber schwächere Ringe stehen weit über den Polen. Die Herkunft dieser Ringe ist nicht geklärt. Wahrscheinlich bestehen sie aus Materie, die der blaue Riesenstern etwa 20000 Jahre vor seiner Explosion ausgeworfen hat. Die vier Bilder unten zeigen die Explosionswolke der Supernova 1987A. Ein Jahrzehnt nach der Explosion hat der Feuerball den 250-fachen Durchmesser des Sonnensystems. Er kann mit dem Weltraumteleskop Hubble aufgelöst werden. Noch schneller als die Sterngase jagt die Stoßwelle der Explosion in das umgebende Medium. Der Lichtblitz bei der Supernovaexplosion bringt den inneren Ring zum Glühen. Sterntrümmer fliegen durch den Raum, die schnellsten mit einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit. Die auftreffende Stoßwelle regt den Ring noch einmal zum Leuchten an, zuerst die näheren Teile, schließlich den ganzen Ring. Ein heller Knoten an der Ringinnenseite, von Hubble im Jahr 1997 entdeckt, signalisiert den Aufprall der Stoßwelle. In den kommenden Jahren wird weiteres Gas vom Stoß aufgeheizt werden. Die Supernova 1987A wird abermals eine strahlend helle Lichtquelle am Himmel werden. Der Stern, dessen Leben mit der gewaltigen Explosion der Supernova 1987A endete, hatte die zwanzigfache Masse der Sonne. Kurz vor der Explosion, 10 Millionen Jahre nach seiner Entstehung, war der blaue Riesenstern 40 mal größer als die Sonne. Durch eine Kette von Kernreaktionen hatte der Stern den Druck erzeugt, der ihn gegen die gewaltigen Gravitationskräfte stabilisierte. Er besitzt nun eine sogenannte "Zwiebelschalenstruktur''. Eine dicke Wasserstoffhülle umgibt Schichten mit Helium, Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium, den Produkten des nuklearen Feuers im Sterninnern. Im Zentrum ist dabei ein Eisenkern entstanden. Dieser hat die Größe des Mondes, ist aber massereicher als die Sonne. Weil durch Kernreaktionen keine weitere Energie erzeugt werden kann, stürzt er in weniger als einer Sekunde auf Atomkerndichte zusammen. Nun beginnt sich ein Neutronenstern im Zentrum zu bilden. Gleichzeitig entsteht eine Stoßwelle, die nach außen läuft. Im Zentrum der Explosion, in einem Gebiet von nur 50 Kilometern Durchmesser, wird der entstehende Neutronenstern durch heftige Gasströme aufgewühlt. Sie transportieren Energie aus dem Innern an seine Oberfläche und erhöhen die Abstrahlung von Neutrinos. Diese Neutrinos verlieren einen Teil ihrer Energie im Gas hinter der Stoßfront. Das geheizte Gas steigt in großen Blasen auf und schiebt die Stoßwelle vor sich her. Zwei zehntel Sekunden nach ihrer Entstehung hat sie eine Ausdehnung von mehr als 1500 Kilometern erreicht. Sie befindet sich bereits in der Siliziumschale und ist auf dem Weg durch den Stern, den sie in einer gewaltigen Supernovaexplosion zerreißen wird.