Supernova: Eine Explosion 3.000 Millionen Mal heller als die Sonne

Supernova: Eine Explosion 3.000 Millionen Mal heller als die Sonne

Ein Stern verblasst nicht ruhig, wenn er detoniert. Auf ihrem Höhepunkt kann eine Supernova etwa 3.000 Millionen Mal heller erscheinen als die Sonne, wenn beide in der gleichen Entfernung von einem Beobachter stünden – ein Blitz gewaltsam genug, um von anderen Galaxien aus tagelang verfolgt zu werden.

Astronomen teilen diese Explosionen in zwei breite Kategorien: Einige stammen von der plötzlichen, unkontrollierten Wiederentzündung eines ausgebrannten Sterns namens weißer Zwerg, während andere den endgültigen Kollaps des Kerns eines massiven Sterns markieren. Beide Prozesse enden auf die gleiche Weise, in einer Explosion, die Raum mit neuen Elementen erfüllt und oft eine seltsame, kompakte Leiche hinterlässt.

Was folgt, ist nicht die allgemeine Übersicht, die jeder Artikel wiederholt. Es ist eine Sammlung spezifischer, quellengestützter Zahlen: wie schnell die Trümmer fliegen, wie weit entfernt die lichtschwächsten gemessen wurden, und was tatsächlich in den Überresten versteckt wurde.

Wie ein unkontrollierter weißer Zwerg detoniert

Ein weißer Zwerg ist ein ausgebrannter Sternenkern so dicht, dass nur der Elektronendruck verhindert, dass er weiter zusammenbricht. Wenn er langsam Gas von einem Begleiterstern ansaugt, kann seine Masse gegen die Chandrasekhar-Grenze kriechen, etwa 1,44-mal die Sonnenmasse – der Punkt, an dem der Elektronenentartungsdruck den Stern nicht mehr gegen seine eigene Schwerkraft stützen kann.

Tycho's Supernova Remnant in Röntgenstrahlung
Tycho's Supernova Remnant, die Trümmer der stellaren Explosion, die Tycho Brahe 1572 beobachtete, aufgenommen in Röntgenstrahlung vom Chandra-Observatorium der NASA. NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al., gemeinfrei, via Wikimedia Commons

Sobald die Zündung beginnt, bricht der Stern nicht einfach zusammen; er detoniert. Materie wird mit 5.000 bis 20.000 Kilometern pro Sekunde nach außen geblasen, etwa 6% der Lichtgeschwindigkeit. Ein Teil dieser Trümmer breitet sich noch Jahrhunderte aus: Ein doppelter entarteter Ereignis, bei dem zwei weiße Zwerge verschmelzen, anstatt dass einer langsam von einem Begleiterstern frisst, kann erklären, warum G1.9+0.3, der jüngste bekannte Supernova-Überrest in unserer Galaxie, Jahrzehnte nach seiner Bildung immer heller und größer wird.

Einen Stern in Echtzeit explodieren sehen

Supernovae sind häufig genug, dass professionelle und amateurhafte Himmelsumfragen mehr als 200 neue in einem einzigen Jahr aufspürten, 2012 – und SN 2012fr, die im Oktober entdeckt wurde, war unter den hellsten dieses Jahres.

Diese Helligkeit ist es, die die Zahl von 3.000 Millionen mehr als nur eine Abstraktion macht: Astronomen können das Licht einer explodierenden Sterne direkt gegen das der Sonne vergleichen, in gleicher Entfernung, und bekommen ein echtes Verhältnis statt nur einen groben Eindruck. Zu beobachten, wie ein einzelnes Objekt von unsichtbar zu kurzzeitig heller als seine eigene Galaxie wechselt, ist Teil davon, warum Supernovajagden ständig expandieren.

Eine tausend Jahre alte Explosion, auf den Kilometer gemessen

Einige Supernovae sind alt genug, um von Historikern statt von Teleskopen aufgezeichnet worden zu sein, aber ihre Trümmer können immer noch mit moderner Genauigkeit gemessen werden. Der Überrest von SN 1006 – eine Explosion hell genug, um überall in der mittelalterlichen Welt Aufmerksamkeit zu erregen – sitzt etwa 2,17 (plus oder minus 0,08) Kiloparsec von der Erde entfernt, eine Entfernung, die durch Verfolgung der langsamen Drift seiner leuchtenden Filamente über Jahrzehnte von Bildern ermittelt wurde.

Diese Distanzmessung ermöglicht es Astronomen, rückwärts zu einer berechneten Spitzenhelligkeit der ursprünglichen Explosion zu arbeiten, und das Ergebnis stimmt mit der Mitte der Helligkeit Schätzungen überein, die von Beobachtern aufgezeichnet wurden, die das tatsächliche Ereignis beobachteten, lange bevor Teleskope existierten.

Die Supernovae, die die Arbeit nicht beenden

Nicht jede Explosion eines weißen Zwergs zerstört seinen Stern vollständig. Astronomen haben mehr als 30 ungewöhnlich schwache „Mini-Supernovae" identifiziert – Explosionen schwach genug, dass der weiße Zwerg in ihrer Mitte möglicherweise überleben könnte.

Eine davon, SN 2012Z, sitzt in der Galaxie NGC 1309, etwa 110 Millionen Lichtjahre entfernt. Der Vergleich mit einem ähnlich schwachen Ereignis, SN 2008ha, zeigt, wie weit diese vereinfachte Klasse variieren kann: SN 2012Z zählt zu den mächtigeren dieser unterversorgten Explosionen, während SN 2008ha zu den schwächsten zählt. Das Muster war keine Überraschung im Nachhinein – schon 2009 hatten Forscher bereits vorgeschlagen, dass diese Art von Ereignis von einem weißen Zwerg mit einem Helium-Stern-Begleiter stammte, Jahre bevor SN 2012Z ihnen die Chance gab, die Idee direkt zu testen.

Die hellste Explosion, die je aufgezeichnet wurde

Nicht alle Supernovae sind lichtschwach oder nah. ASASSN-15lh, die hellste jemals aufgezeichnete Supernova, liegt etwa 3,82 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Erstmals im Juni 2015 entdeckt, erreichte sie ihren Höhepunkt bei etwa 570 Milliarden Sonnenleuchtkräften – doppelte die bolometrische Leistung jeder anderen bekannten Supernova.

Eine einzelne Sternexplosion, kurzzeitig heller als hunderte von Milliarden Sonnen, ist eine nützliche Erinnerung, wie viel Energie in einem gewöhnlich aussehenden Stern eingesperrt ist, bevor er losgeht.

Jagd nach dem Neutronenstern, der in SN 1987A versteckt ist

SN 1987A bleibt die Vergleichsnorm-Supernova in der Nähe der modernen Ära. Astronomen platzieren es etwa 51,4 Kiloparsec entfernt – etwa 168.000 Lichtjahre – was es der nächsten Sternexplosion macht, die jemals jemand dokumentiert hat, seit Johannes Kepler eine 1604 verfolgte, nah genug und neu genug, dass Instrumente rund um den Planeten es im Detail studieren konnten.

SN 1987A vom James Webb Space Telescope abgebildet
SN 1987A, eine der am meisten studierten Supernovae in der Nähe, vom James Webb Space Telescope abgebildet. Foto: NASA, ESA, CSA, M. Matsuura (Cardiff University), R. Arendt (NASA's Goddard Spaceflight Center & University of Maryland, Wikimedia Commons, CC BY 4.0

Die Theorie sagte voraus, dass der kollabierte Kern einen Neutronenstern hinterlassen sollte, aber Jahrzehnte lang konnte niemand bestätigen, dass tatsächlich einer dort war. Das änderte sich 2019, als Astronomen mit dem Atacama Large Millimeter Array indirekte Evidenz eines kollabierter Neutronenstern in dem Überrest berichteten. Was auch immer die Explosion überlebte, soll typischen Neutronensternen anderswo ähneln: Objekte mit einem Radius von etwa 10 Kilometern, die etwa 1,4 Sonnenmasse packen.

Ein Name aus 1931 und ein Stern, der 1054 zuerst gesehen wurde

Das Wort „Supernova" selbst ist kaum ein Jahrhundert alt. Walter Baade und Fritz Zwicky bekommen die Anerkennung: Das Paar führte den Begriff in einer Vorlesung über Astrophysik 1931 ein, lehnten sich an die „Nova" an, die Astronomen bereits für eine Helligkeitssteigerung eines Sterns verwendeten, und fügte „Super" hinzu, sobald sie sich bewusst wurden, dass diese Ereignisse kategorisch größer waren.

Eines der Objekte, das diese Unterscheidung offensichtlich machte, sitzt im Krebsnebel – den Trümmern einer Supernova, die chinesische Astronomen im Jahr 1054 n.Chr. aufzeichneten.

Der Krebsnebel vom Hubble Space Telescope abgebildet
Der Krebsnebel, ein sechs Lichtjahre breiter Supernova-Überrest, der 1054 von chinesischen und japanischen Astronomen aufgezeichnet wurde, vom Hubble Space Telescope abgebildet. NASA, ESA, J. Hester und A. Loll (Arizona State University), gemeinfrei, via Wikimedia Commons

In seinem Zentrum liegt der Krebspulsar, ein Neutronenstern nur 28 bis 30 Kilometer über die, der sich 30,2 mal pro Sekunde dreht – der kompakte Überrest einer Explosion hell genug, dass Beobachter auf der anderen Seite des Planeten sie aufzeichneten, ohne ein Teleskop, Jahrhunderte bevor Baade und Zwicky dem Phänomen seinen Namen gaben.

Quellen