Supernova Wenn Sterne explodieren

Riesige Sterne sterben immer mit einem Megaknall. Als Supernova leuchten sie dann so grell wie Galaxien aus Milliarden Himmelskörpern. Doch wie kommt es zur Explosion? Was geschieht währenddessen? Wir nehmen die kosmischen Feuerwerke unter die Lupe
Supernova

Eine Supernova hat gewaltige Gasmengen ins All geschleudert. Die Aufnahme des Weltraumteleskops HUBBLE macht sogar einzelne Elemente sichtbar: Wasserstoff (orangefarbene Fäden), Schwefel (grün) und Sauerstoff (blau und rot)

Manche Spektakel bringen selbst erfahrene Astronomen wie Subo Dong zum Staunen. 2015 untersucht der Forscher der Universität Peking mit einem Teleskop einen Lichtfleck am Himmel. Als er dessen Entfernung berechnet, kann er das Ergebnis anfangs kaum glauben. Der Punkt ist sagenhafte 3,8 Milliarden Lichtjahre entfernt! Das heißt: Selbst das Licht, die schnellste Sache im Universum, brauchte 3,8 Milliarden Jahre, um von dort zur Erde und vor Subo Dongs Teleskop zu gelangen!

Was ist das bloß für eine Superleuchte? Subo Dong ermittelt, dass sie so hell gewesen sein muss wie 570 Milliarden Sonnen zusammen. Ja, 20-mal strahlender als unsere gesamte Milchstraße! Und dass es sich dabei wohl um eine Supernova handelt, eine für kurze Zeit hell aufleuchtende Himmelserscheinung. „Den Rest der Nacht war ich zu aufgeregt zum Schlafen“, berichtet er später.

Alternder Riesenstern

Fabrik der Elemente: Ein alternder Riesenstern ähnelt einer Zwiebel: Er besteht aus vielen Schalen. In seinem Kern sind leichte Brennstoffe zu schwerem Eisen (1) verbrannt worden. Je weiter man nach außen kommt, desto leichter werden die Elemente, die durch Verschmelzung von Atomkernen entstehen. In der grünen Schale ist es zum Beispiel Schwefel (2), am Rand Helium (3). Ein großer Teil der im Stern gebildeten Elemente wird später bei der Supernova ins All geschleudert. Ohne sie könnten weder Planeten noch Leben entstehen.

Supernova ASASSN-15lh, wie die Leuchte später genannt wird, ist für die Forscher noch heute ein Rätsel. Was hat sie ausgelöst? Und woher bezog sie ihre Energie? Das weiß niemand. „Alle Theorien stoßen an ihre Grenzen“, gibt Subo Dong zu. Einige Fragen über solch kosmische Spektakel aber haben er und seine Kollegen bereits beantwortet.

Was ist eine Supernova?

Kurz gesagt: ein explodierender Stern. Stirbt ein Riesenstern, macht er das nämlich immer mit einem Knall. Dabei schleudert er einen Großteil seiner Masse ins All hinaus. Supernovae (also viele dieser kosmischen Feuerwerke) können aber auch durch Sternleichen wie einen „Weißen Zwerg“ entstehen. Der saugt das Gas von einen anderen Stern ein und platzt danach.

Gase einer Supernova

Die herausgeschleuderten Gase einer Supernova stoßen auf andere Gaswolken und lassen sie aufleuchten

Wie kann ein Stern explodieren?

Um das zu verstehen, müssen wir einen Blick auf sein Leben werfen. Sterne könnt ihr euch als Bälle aus Wasserstoff vorstellen, dem leichtesten Element im All. Dessen Kerne verschmelzen im Sterninneren zu Heliumkernen (siehe Kasten Seite 65). Bei dieser Reaktion wird Energie frei, die den Stern aufheizt und leuchten lässt. Sie bläht die Kugel aber auch auf – wie heiße Luft einen Heißluftballon.

Solange der Wasserstoff „verbrennt“, ist der Stern deshalb stabil. Doch irgendwann ist dieser Brennstoff im Zentrum verbraucht. Der Stern sackt zusammen.

Ist der Stern am Ende? Noch nicht! Denn nun schaltet er auf einen Reservebrennstoff um. Er verschmilzt die entstandenen Heliumkerne zu einem neuen Element – zu Kohlenstoff. Gleichzeitig entzündet sich in den Schalen darum der dortige Wasserstoff. So geht es dann weiter: Ist ein Brennstoff im Zentrum verbraucht, wird der nächste genutzt. Immer schwerere Elemente entstehen dabei: Sauerstoff, Natrium, Schwefel… Das geht so lange gut, bis Eisen dabei herauskommt. Dann bricht die Reaktion ab. Denn Eisenkerne, die zusammenstoßen, verschmelzen nicht. Sie liefern keine Energie mehr.

Nun wird es dramatisch. Alles stürzt in sich zusammen: zuerst das Sternzentrum aus Eisen. Dessen Teilchen werden so stark ineinandergepresst, dass sie sich in neue Partikel verwandeln, sogenannte Neutronen. Diese Neutronen bilden eine irre dichte Kugel. Ein Esslöffel davon würde auf der Erde Milliarden Tonnen wiegen. Etwa so viel wie alle Autos unseres Planeten!

Dann brechen die nächsten Schichten des Sterns ein. Sie rasen auf den Kern zu, prallen daran ab – und schießen wieder nach außen. Bei dem Mega-Aufprall entstehen noch schwerere Stoffe wie Gold oder Uran. Wenn die Schockwelle auf die äußeren Gashüllen des Sterns trifft, lässt sie diese grell aufleuchten und ins All schießen. Und genau das sehen wir als Supernova.

Stirbt unsere Sonne auch in einer Supernova?

Nein, dafür ist sie zu klein – zum Glück. Während Riesensterne ihren Brennstoff in wenigen Hunderttausend bis Millionen Jahren verjubeln, wird die kleine Sonne noch rund fünf Milliarden Jahre Wasserstoff verbrennen. Erst danach fällt ihr Kern zusammen, während sich die äußeren Hüllen ausdehnen. Die Sonne wird zu einem Roten Riesen, der auch die Erde verschlingt. Nach diesem Aufbäumen ist bald Schluss: Die Sonne fällt zu einem Weißen Zwerg zusammen, der noch Milliarden Jahre vor sich hinglimmt, bevor er langsam erlischt.

Kernfusion

So funktioniert die Kernfusion: Unsere Sonne und andere Sterne bestehen zu Beginn ihres Lebens fast nur aus Wasserstoff. Dessen Kerne, die Protonen, verschmelzen im Zentrum zu Heliumkernen. Die Reaktion heißt Kernfusion und läuft in mehreren Schritten ab: Zwei Wasserstoffkerne (Protonen) prallen aufeinander und verschmelzen (1). Dabei wandelt sich ein Proton in ein Neutron um (ein anderes Miniteilchen). Proton und Neutron verschmelzen mit einem weiteren Proton (2) und danach mit einem weiteren „Dreier-Teilchen“ (3) zu einem Heliumkern (4) , wobei sich zwei Protonen abspalten. Der Heliumkern ist leichter als vier Protonen. Die restliche Masse hat sich in Strahlung (gelbe Pfeile) umgewandelt. Sie lässt den Stern aufleuchten und verhindert, dass er in sich zusammenfällt.

Woran erkennen Astronomen eine Supernova?

Supernovae verraten sich durch ihr plötzliches Aufleuchten am Himmel. Die Forscher messen dann die Helligkeit der Explosion und wie sie sich über Wochen verändert. Sie ermitteln die Entfernung und untersuchen die Zusammensetzung des Sterns. Danach teilen sie die Supernovae in verschiedene Kategorien ein. Explodierende Weiße Zwerge gehören zum Beispiel zum Typ 1a. Was im Inneren des explodierenden Sterns stattgefunden hat, schließen die Astronomen aus Computersimulationen. Sie machen Annahmen, welche Vorgänge im Stern ablaufen, und berechnen, ob der so simulierte Stern ebenso explodieren würde wie die beobachtete Supernova.

Haben Supernovae Einfluss auf unser Leben?

Und wie! Manche Forscher vermuten, dass die Strahlung einer Supernova vor 444 Millionen Jahren sogar ein Massensterben auf der Erde ausgelöst hat. Doch vor allem werfen sie während der Explosionen neues „Baumaterial“ ins All: Wasserstoff etwa, aus dem wieder neue Sterne entstehen. Und die schwereren Stoffe, die sie im Inneren gebildet haben. Aus diesen entstanden auch die Planeten des Sonnensystems. Und später wir selbst. Denn auch wir bestehen aus Sternenstaub.

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