Was passiert, wenn ein wirklich gigantischer Stern, der hundertmal größer als unsere Sonne ist, explodiert? Obwohl es schon lange eine Theorie dazu gibt, hatte bis jetzt noch niemand eine solche Explosion gesehen. Einem internationalen Forscherteam ist es nun aber gelungen, eine solche Supernova – einen explodierenden Stern – in einer Mini-Galaxie über eineinhalb Jahre lang zu beobachten. Ergebnis: die Vorhersagen über die Explosion eines Sterns, der 150 Mal größer ist als die Sonnenmasse, treffen sehr genau zu.
Die neue Studie der Astronomen im Wissenschaftsmagazin „Nature“ könnte unser Verständnis von allem, angefangen bei natürlichen Begrenzungen einer Sterngröße bis hin zur Entwicklung des Universums beeinflussen.
Gleichgewicht in einem Riesen-Stern ist anders
„Alles ist eine Frage der Gleichgewichts“, sagt Avishay Gal-Yam aus dem Fachbereich Partikelphysik und Astrophysik des Weizmann Instituts in Israel. Zusammen mit Forschern aus Deutschland, den USA, England und China ist er für die neuen Ergebnisse verantwortlich. „Während des Lebens eines Sterns besteht ein Gleichgewicht zwischen der Anziehungskraft, die seine Masse nach innen zieht, und der Hitze, die durch die Nuklearreaktion im Innern seines Kerns erzeugt wird und seine Masse nach außen drängt.“
Und weiter: „In der uns bekannten Supernova eines Sterns, der zehn bis 100 Mal größer als die Sonne ist, beginnt die Nuklearreaktion mit der Fusion von Wasserstoffatomen zu Helium, genau wie in unserer Sonne. Aber die Fusion hält an und produziert stetig schwerer werdende Elemente solange bis sich der Kern in Eisen verwandelt. Da Eisen sich nicht gut weiter fusionieren lässt, brennt die Reaktion aus und das Gleichgewicht geht verloren. Die Gravität nimmt Überhand und der Stern kollabiert nach innen, wobei er seine äußeren Schichten in anhaltenden Schockwellen abstößt.“
Das Gleichgewicht in einem Riesen-Stern ist anders. Hier sind die Photonen – Lichtpartikel – so heiß und energiegeladen, dass sie miteinander reagieren und Partikelpaare bilden – Elektronen und ihre Gegenteile, Positronen. Dabei werden Partikel mit einer Masse aus den massenlosen Photonen gebildet, wobei die Energie des Sterns verbraucht wird.
Unkontrollierte thermonukleare Reaktion
Hierbei gerät wieder alles aus dem Gleichgewicht, aber wenn der Stern jetzt kollabiert, fällt er in sich, in einen Kern zusammen, der aus flüchtigem Sauerstoff und nicht aus Eisen besteht. Der heiße, komprimierte Sauerstoff explodiert in einer unkontrollierten thermonuklearen Reaktion, die den Kern des Sterns auslöscht und nur noch glühenden Sternstaub hinterlässt.
„Modelle von Supernova-Paaren waren bereits vor Jahrzehnten kalkuliert worden“, sagt Gal-Yam, „aber niemand war sicher, dass sich solch riesige Explosionen in der Natur tatsächlich ereignen. Die neue Supernova, die wir entdeckt haben, passt sich sehr gut in diese Modelle ein.“
Eine Analyse der Daten der neuen Supernova SN 2007bi, die von Forschern des international Nearby Supernova Factory (SNfactor) im Lawrence Berkeley National Laboratory entdeckt wurde, hat die Wissenschaftler dazu veranlasst, die Größe des Sterns auf 200 Mal der Masse der Sonne zu schätzen. Dies ist an sich schon ungewöhnlich genug, da Beobachter festgestellt haben, dass Sterne in unserem Teil des Universums eine Größenbegrenzung von etwa 150 Sonnen haben. Einige fragten sich, ob es wohl eine Art physische Beschränkung des Umfangs von Sterns gibt. Diese neuen Befunde suggerieren, dass riesige Sterne – wenn auch selten – doch existieren und sogar noch größere Sterne, bis zu 1.000 Mal so groß wie die Sonne, im früheren Universum existiert haben.
Fabriken für Schwermetalle
„Dies ist das erste Mal, dass wir imstande waren, Beobachtungen einer Explosion eines so riesigen Sterns zu analysieren“, sagt Paolo Mazzali vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Deutschland, der gemeinsam mit Gal-Yam die theoretische Studie hierzu durchgeführt hat. „Wir konnten die Mengen der neuen Elemente, die bei dieser Explosion entstanden, messen – einschließlich etwa fünfmal die Masse unserer Sonne in hoch radioaktivem, neu synthetisiertem Nickel. Solche Explosionen könnten wichtige Fabriken für Schwermetalle im Universum sein.“
Diese massive Supernova wurde in einer winzigen Galaxie gefunden – die nur ein Hundertstel so groß ist wie unsere eigene Galaxis – und die Wissenschaftler meinen, dass solche Zwerggalaxien natürliche Häfen für riesige Sterne darstellen könnten, die es irgendwie schaffen, die Grenze von 150 Sonnen zu überschreiten.
Einzigartige Explosion
„Unsere Entdeckung und die Analyse dieser einzigartigen Explosion hat uns zu neuen Einsichten, wie massiv Stern werden können und wie diese Sternriesen zur Schaffung unseres Universums beitragen, verholfen“, sagt Gal-Yam. „Wir hoffen noch mehr verstehen zu können, wenn wir in neuen Studien, die wir jetzt begonnen haben und die große, bisher unerforschte Regionen des Universums abdecken, weitere Beispiele finden.“
(idw – Weizmann Institut/DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory, 04.12.2009 – DLO)
