Wenn Sterne mit erheblich größerer Masse als unsere Sonne ihren nuklearen Energievorrat verbraucht haben, kollabiert ihr Kernbereich unaufhaltsam zu einem Schwarzen Loch. Zugleich schleudert der sterbende Stern seine äußeren Schichten explosionsartig ins Weltall und leuchtet hell als Supernova auf – so die übliche Darstellung.
Doch das ist nicht immer so: Manche Sterne sterben leise ohne Supernova-Explosion, wie jetzt Beobachtungen eines Forschungsteams aus den USA zeigen. Einer der hellsten Sterne in der Andromeda-Galaxie ist einfach verschwunden – und alle Anzeichen deuten darauf hin, dass er fast unbemerkt zu einem Schwarzen Loch geworden ist, wie das Team im Fachblatt "Science" berichtet.
"Es handelt sich vermutlich um die überraschendste Entdeckung meines Lebens", sagt Kishalay De von der Columbia University in New York. In den Archivdaten des Weltraumteleskops Neowise stießen der Astrophysiker und sein Team in der 2,5 Millionen Lichtjahre entfernten Andromeda-Galaxie auf einen hellen Riesenstern, der im Jahr 2014 zunächst langsam heller wurde. Doch nach drei Jahren sank seine Helligkeit plötzlich dramatisch ab und M31-2014-DS1, so die Katalognummer des Sterns, war auf den Aufnahmen von Neowise nicht länger aufzuspüren.
M31-2014-DS1 hatte ursprünglich etwa die 13-fache Masse unserer Sonne, schätzen die Forschenden. Im Laufe seiner Existenz hatte der Stern viel Gas von seiner Oberfläche als "Sternwind" ins Weltall abgegeben, dass er schließlich nur noch etwa fünf Sonnenmassen auf die Waage brachte. "Sterne mit dieser Masse sollten als Supernova explodieren, davon sind wir zumindest lange ausgegangen", so De. Deshalb sei das Verschwinden des Sterns ohne Explosion ungewöhnlich: Offenbar können Sterne auch ohne Supernova-Explosion zu einem Schwarzen Loch kollabieren.
Teufel steckt im Detail
Wie aber kann das sein? Solange Sterne durch Kernfusion Energie erzeugen, gleicht der Druck der Strahlung das Gewicht ihrer gewaltigen Masse aus. Ist dieser Energievorrat aufgebraucht, gewinnt die Schwerkraft Oberhand, der Stern stürzt zusammen. Doch wenn die kollabierende Materie im Kern des Sterns zusammenprallt, erzeugt dies eine Art Rückstoß, eine Stoßwelle, die nach außen läuft und so die Supernova-Explosion auslöst.
Wie der einstige Stern heute aussehen könnte, zeigt diese Simulation: außen Staubschwaden, innen glühendes Gas. Das Schwarze Loch im Zentrum selbst ist nicht zu sehen
Aber wie so oft steckt der Teufel im Detail: Wie schon theoretische Untersuchungen vor über 50 Jahren zeigten, kann eine solche Stoßwelle ihre Energie in den Außenschichten des Sterns rasch verlieren und ins Stocken geraten. Ein neuer Anschub ist nötig, und dieser kommt von extrem leichten Elementarteilchen, die bei nuklearen Prozessen entstehen: den Neutrinos. Beim Kollaps eines Sterns entstehen Unmengen dieser Teilchen. Tatsächlich transportieren Neutrinos sogar 99 Prozent der Energie nach außen, die bei der Entstehung eines Schwarzen Lochs frei werden. Und diese Energie können die Neutrinos zum Teil an die stockende Stoßwelle weitergeben, ihr so neuen Schwung verleihen und die Supernova-Explosion auslösen.
Ob der Anschub durch die Neutrinos ausreicht, um zu einer Supernova zu führen, hängt allerdings von vielen Einzelheiten ab, etwa von der Gasdichte und der Bewegung der Außenschichten des Sterns. Deshalb waren sich Astronomen bislang nicht sicher, ob alle massereichen Sterne als Supernova enden oder manche eines stillen Todes sterben können, bei dem die ausgestoßenen Außenschichten schließlich wieder in das entstehende Schwarze Loch zurückfallen.
Das fehlende Puzzleteil
Die Forschenden beobachten zwar ohnehin nur etwa halb so viele Sternexplosionen, wie es Modelle der Sternentwicklung erwarten lassen. Doch dafür könnte es auch andere Ursachen geben – vielleicht verbergen sich viele Supernovae hinter dichten Wolken aus Gas und Staub. Was Astronomen bislang fehlte, war die direkte Beobachtung der stillen Entstehung eines Schwarzen Lochs.
"Supernovae zu finden ist leicht, da sie heller leuchten als eine ganze Galaxie, und das wochenlang", erklärt De. "Einen Stern aufzuspüren, der ohne Explosion verschwindet, ist dagegen außerordentlich schwierig." Deshalb ist die Entdeckung von M31-2014-DS1 von großer Bedeutung für die Astrophysiker*innen. Der Stern ist nun zwar aus dem Blick von Neowise verschwunden. Doch mithilfe großer Teleskope auf der Erde und dem Weltraumteleskop Hubble gelang es De und seinem Team, schwache infrarote Strahlung aufzuspüren. Wenn das ausgestoßene Gas der Sterne wieder in das Schwarze Loch fällt, heizt es sich auf – und erwärmt Staub in der Umgebung. Dieser sendet exakt jene Infrarotstrahlung, die De detektierte.
Mehrere Jahrzehnte dauert es, so schätzen die Forschenden, bis dieses Gas vollkommen im Schwarzen verschwunden ist. Aus der in dieser Zeit empfangenen Strahlung hoffen De und seine Kollegen, weitere Informationen über das Schwarze Loch zu gewinnen. Und weil die Astronomen nun wissen, nach welchen Anzeichen sie Ausschau halten müssen, hoffen sie außerdem auf die Entdeckung weiterer Sterne, die ohne Explosion zu Schwarzen Löchern kollabieren.
