Im letzten Weltallwissend-Beitrag habe ich von dem Lebenslauf von Sternen mit relativ wenig Masse erzählt (siehe Weltallwissend 19: „Ein Sternenleben“). Die beendeten ihr Leben friedlich als Weißer Zwerg, der langsam auskühlt, und wir können um ihn herum noch einen schönen Planetarischen Nebel bestaunen. Etwas zu sehen gibt es auch beim Tod massereicher Sterne, doch in diesem Fall ist das eine Explosion, die so hell werden kann wie eine ganze Galaxie – eine Supernova!
Das Leben eines schweren Sternes läuft zu Beginn relativ ähnlich ab wie das eines leichten Sternes, nur mit dem Unterschied, dass er mehr Masse besitzt und daher auch größer und heller ist. Jedoch fusionieren Sterne ihren Treibstoff umso schneller, je massereicher sie sind. So kommen besonders massereiche Sterne verhältnismäßig schnell (innerhalb von wenigen Millionen Jahren) an den Punkt, an dem sie im Kern auch das Helium zu Kohlenstoff fusionieren. Und auch das wird dann weiter fusioniert zu Sauerstoff und Neon und so weiter. Da jedoch weiter außen immer noch die leichteren Elemente fusioniert werden, bildet der Stern nach und nach eine Schalenstruktur aus. Irgendwann findet im Kern das Siliziumbrennen statt, darüber das Sauerstoffbrennen, in der nächsten Schale das Neonbrennen, darum befindet sich eine Schale, in der Kohlenstoff fusioniert wird und ganz außen finden immer noch das Heliumbrennen und das Wasserstoffbrennen statt.
Doch nun ist bald Schluss. Das Silizium im Kern wird nämlich zu Eisen und dieses Eisen kann nicht mehr weiter fusioniert werden. Dort ist Endstation. Der Prozess der Kernfusion hört im Kern bei Eisen einfach auf. Doch was bedeutet das für den Stern? Schließlich befand er sich bis zu diesem Punkt im Gleichgewicht, da die Gravitation gewissermaßen nach innen gezogen hat und der Strahlungsdruck nach außen gedrückt hat. Nun hat die Kernfusion zumindest teilweise ausgesetzt und damit bleibt auch der Strahlungsdruck aus. Dem Stern bleibt also nichts anderes übrig, als der Gravitation nachzugeben. Er fällt in sich zusammen.
Die Atome im Kern werden nun schnell mit so großem Druck aneinandergepresst, dass ein Effekt der Quantenmechanik wichtig wird, und zwar der sogenannte Fermi-Druck, der die einzelnen Teilchen noch ein Stück weit auf Abstand hält, sodass der Kern sich nicht mehr weiter komprimieren lässt. Die äußeren Hüllen stürzen aber nach wie vor mit einer unglaublich hohen Geschwindigkeit auf diesen Kern zu – und prallen einfach ab.
Während die ersten Hüllen schon wieder zurückgeworfen werden, stürzen jedoch noch weitere Hüllen auf den Stern zu! Sie rasen also mit einer wahnsinnig hohen Geschwindigkeit durcheinander, wobei so große Energiemengen freigesetzt werden, dass nun auch schwerere Elemente als Eisen entstehen. Der Stern explodiert.
Eine Supernova ist der einzige Prozess, den wir kennen, bei dem auf natürliche Art Elemente entstehen, die im Periodensystem der Elemente nach Eisen kommen. Zur Erinnerung: Die leichteren Elemente entstehen bei der Kernfusion in einem Stern. Nur Wasserstoff und Helium sowie sehr geringe Mengen an Lithium, also besonders leichte Elemente, sind schon kurz nach dem Urknall entstanden. Es ist also alles (außer Wasserstoff und Helium), das wir aus unserer Umgebung kennen und woraus wir bestehen, mal entweder in einem Stern oder bei einer Supernova entstanden! Vielleicht habt ihr irgendwo schon mal diesen Satz gelesen: „Wir sind aus Sternenstaub.“ Damit ist genau das gemeint!
So läuft zumindest eine Supernova vom Typ II (Typ 2), auch Kernkollaps-Supernova genannt, ab. Diese Supernovae (Plural von Supernova) werden dann noch je nach ihren Helligkeitsverläufen unterteilt. Doch es gibt noch eine etwas andere Art von Supernovae: eine Supernova vom Typ Ia.
Eine Supernova vom Typ Ia entsteht, wenn ein Weißer Zwerg (siehe Weltallwissend 19: „Ein Sternenleben“) von einem anderen Stern umkreist wird. Nun klaut sich der Weiße Zwerg mit seiner Gravitationskraft etwas Materie von dem Begleitstern und dadurch gewinnt er immer mehr Masse. Wenn der Weiße Zwerg dadurch eine bestimmte Masse erreicht, die sogenannte Chandrasekhar-Masse, die bei ungefähr 1,4 Sonnenmassen liegt, zünden in seinem Kern wieder Kernreaktionen. Diese sind jedoch so heftig, dass sie den Weißen Zwerg sofort komplett zerreißen und er ebenfalls in einer Supernova explodiert. Da eine Supernova vom Typ Ia immer genau gleich abläuft und Weiße Zwerge immer bei genau der gleichen Masse (der Chandrasekhar-Masse) explodieren, sind sie übrigens auch immer gleich hell und können damit als Standard-Kerzen gut zur Entfernungsmessung verwendet werden (siehe Weltallwissend 10: „Entfernungsmessung in der Astronomie – Teil 2: Wie weit ist es zu den Galaxien?“).
Doch wie kann man diese unterschiedlichen Typen von Supernovae nun durch Beobachtungen unterscheiden? Dazu machen Astronomen einfach eine Spektralanalyse (siehe Weltallwissend 3: „Dunkle Linien im Sonnenspektrum und die Entdeckung des Heliums“). Supernovae vom Typ II zeigen dabei deutliche Wasserstofflinien, solche vom Typ I jedoch nicht. Charakteristisch für eine thermonukleare Supernova (das waren die mit den Weißen Zwergen, also Typ Ia) sind außerdem ausgeprägte Siliziumlinien.
Jedoch beobachteten Astronomen auch einige Supernovae ohne ausgeprägte Wasserstofflinien, bei denen die Siliziumlinien ausblieben. Von nun an bezeichneten sie den Normalfall als Supernova vom Typ Ia und diese Spezialfälle als Ib oder Ic (je nachdem, ob Heliumlinien auftreten). Später stellte sich jedoch heraus, dass diese Supernovae mit dem Modell einer Kernkollaps-Supernova erklärt werden können, sie verhalten sich also ähnlich wie eine Supernova vom Typ II.
Anfang des Jahres 2020 wurde übrigens auch in den Medien sehr viel von einer Supernova berichtet – oder besser gesagt von einer möglichen Supernova in naher Zukunft. Der Stern Beteigeuze im Sternbild Orion wurde zu dieser Zeit nämlich immer dunkler und viele vermuteten, dass er bald in einer Supernova explodieren würde. Das wäre zwar ein spektakuläres Ereignis am Himmel gewesen und für einige Wochen hätte Beteigeuze so hell wie der Vollmond geleuchtet, jedoch muss ich dazu sagen, dass diese Theorie von Anfang an nur eine von mehreren möglichen Erklärungen war, und nicht einmal eine besonders wahrscheinliche. Doch inzwischen sind sich Wissenschaftler nach der Auswertung von Daten des Weltraumteleskops Hubble ziemlich sicher, dass Beteigeuze heißes Plasma ins All ausstieß, das abkühlte und dann als Staubwolke den Stern teilweise verdeckte. Als Supernova werden wir ihn wohl nicht mehr am Himmel sehen.
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