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Wie wird unser Kosmos enden?

Physiker prognostiziert "Schwarze Supernovae" als letzte Lebensregung im Universum

Schwarzer Zwerg
In ferner Zukunft könnten Sternenreste zu Schwarzen Zwergen erkaltet sein, von denen einige explodieren. Diese exotischen Supernovae wären die letzte Lebensregung des Kosmos. © NASA / JPL-Caltech

Dunkel und leer: In ferner Zukunft wird unser Kosmos nur noch aus Schwarzen Löchern und toten Sternenresten bestehen. Was dann geschieht, hat nun ein Physiker untersucht. Demnach kühlen zunächst die Weißen Zwerge zu kalten und dunklen „Schwarzen Zwergen“ ab. Von diesen hat rund ein Prozent genügend Masse, um in einer letzten Explosion endgültig zu verglühen – das allerdings wird erst in 101100 Jahren passieren.

Unser Universum entstand vor rund 13,8 Milliarden im Urknall und dehnt sich seither immer weiter aus – davon zeugen die Bewegungen der Galaxien und die kosmische Hintergrundstrahlung. Gängiger Theorie nach wird sich diese von der rätselhaften Dunklen Energie angetriebene kosmische Expansion fortsetzen und beschleunigen. Das hat zur Folge, dass sich Materiedichte und Temperatur immer weiter verringern werden – der Kosmos wird leer und kalt.

„Im Verlauf der nächsten rund 100 Billionen Jahre werden fast alle Sterne ihren Fusionsbrennstoff aufgebraucht haben und zu degenerierten Weißen Zwergen werden“, erklärt der theoretische Physiker Matt Caplan von der Illinois State University. „Das Universum wird dann größtenteils aus Schwarzen Löchern und ausgebrannten Sternen bestehen. Es wird ein trauriger, einsamer, kalter Ort sein.“

Schleichende Umwandlung

Doch was passiert dann? Gängiger Theorie nach erkalten die Weißen Zwerge immer weiter, bis sie auskristallisieren und schließlich bis auf die Hintergrundtemperatur abkühlen. Doch wie Caplan erklärt, gibt es noch eine andere Möglichkeit. Zwar ist die Kernfusion in diesen „Schwarzen Zwergen“ größtenteils erloschen, aber selbst in ihnen können durch das Phänomen des Quantentunnelns noch vereinzelt Atome ihre Abstoßung überwinden und verschmelzen.

Diese sogenannte pycnonukleare Fusionsreaktion führt dazu, dass sich die Zusammensetzung der Sternenreste im Laufe der Zeit ändert. Die schleichende Fusion verschmilzt Silizium, Kohlenstoff und Sauerstoff zu schwereren Elementen, bis sich schließlich – nach der ungeheuren Zeit von rund 101100 Jahren – im Kern der Zwerge das Isotop Eisen-56 anreichert. Dieses jedoch gibt bei seiner Entstehung Positronen ab, die den Kern des Sternenrests destabilisieren, wie Caplan erklärt.

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Wenn Schwarze Zwerge explodieren

Die Folge: Der Kern der Schwarzen Zwerge kollabiert und es kommt zu einer Explosion. „Wir schätzen, dass rund ein Prozent der Trilliarden heutigen Sterne einst kollabieren und zur Supernova werden wird“, sagt Caplan. Denn wie er ermittelt hat, erfüllen nur diejenigen Schwarzen Zwerge die nötigen Voraussetzungen für eine solche „schwarze Supernova“, die zwischen 1,2 und 1,4 Sonnenmassen schwer sind. Nur bei ihnen kommt es durch das Eisen-56 zur fatalen Destabilisierung.

Alle leichteren Sterne bleiben dagegen Schwarze Zwerge, die weiterhin als tote, kalte Reste im All kreisen. „Unsere Sonne hat nicht genügend Masse, um als Supernova zu explodieren – auch nicht in der fernen Zukunft“, sagt der Forscher. „Man könnte die gesamte Sonne in Eisen umwandeln und es würde dennoch nichts passieren.“

Letztes „Wimmern“ des Kosmos

Und dann? Caplan schätzt, dass die Phase der schwarzen Supernovae in rund 100 Billionen Jahren beginnt und sich über die unvorstellbare Zeitspanne von 1032000 Jahren hinziehen wird. Dabei werden zuerst die massereichsten Schwarzen Zwerge explodieren, dann die leichteren, bis schließlich nichts mehr übrig ist, das noch Energie oder Wärme freisetzen kann. Dann wird das Universum endgültig tot und still sein.

„Es ist schwer vorstellbar, dass danach noch irgendetwas kommen könnte“, so der Physiker. „Die Supernovae der Schwarzen Zwerge könnten wirklich das Letzte sein, dass im Kosmos noch passiert.“ Zu diese Zeitpunkt wird das Universum kaum mehr etwas mit dem heutigen gemeinsam haben: „Galaxien sind aufgelöst, Schwarze Löcher zerstrahlt und die Expansion des Kosmos hat alle verblieben Objekte so weit auseinander gezogen, dass nicht einmal das Licht ihrer Explosion die anderen erreicht.“

Oder kommt doch ein „Big Bounce“?

Allerdings: Dieses Szenario ist nur eines der zurzeit unter Physikern und Kosmologen diskutierten. Nach der Hypothese des „Big Bounce“ könnte sich die kosmische Expansion schon lange vor dem Ende aller Prozesse abrupt umkehren. Das Universum würde dadurch kollabieren und in den Zustand des Urknalls zurückkehren. Dann könnte eine neue Ausdehnung folgen – quasi ein Neustart unseres Kosmos.

Andere Hypothesen gehen stattdessen davon aus, dass subatomare Prozesse im Laufe der Zeit Kernbausteine wie die Protonen zerfallen lassen. Dann wäre selbst die Materie am Ende des Kosmos nicht mehr vorhanden – und Schwarze Zwerge würden sich auflösen, lange bevor sie explodieren. Wie unser Universum tatsächlich enden wird, ist daher vor allem eines – ein großes Rätsel. (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2020; doi: 10.1093/mnras/staa2262)

Quelle: Illinois State University

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