Dreißig Lichtjahre entfernt explodiert ein Stern. Mehrere Monate lang leuchtet er 10.000 Mal heller als der Vollmond. Es ist so hell, dass es tagsüber so aussieht, als hätte sich zur Sonne eine weitere Sonne gesellt, die ein Hundertstel so viel Wärme und Licht abgibt.
Die gute Nachricht ist, dass Sie heute Nacht ruhig schlafen können, denn dieses Szenario würde nicht eintreten. Das Leben auf der Erde ist vor einem solchen Ereignis sicher. Superleuchtende Supernovae – bis zu 100-mal so stark wie jede bisher bekannte Sternexplosion – sind nicht nur sehr selten, sondern scheinen auch in Galaxien zu explodieren, die sich von unserer eigenen ziemlich unterscheiden.
1931 stellten Fritz Zwicky und Walter Baade, die am California Institute of Technology in Pasadena arbeiteten, eine erstaunliche Behauptung über explodierende Sterne oder „Novae“ auf. Ihre Arbeit baute auf einer Entdeckung auf, die Edwin Hubble acht Jahre zuvor gemacht hatte, der das damals größte Teleskop der Welt (das 2,5-Meter-Hooker-Teleskop auf dem Mount Wilson mit Blick auf Caltech) benutzt hatte, um zu zeigen, dass die mysteriösen Spiralnebel tatsächlich existierten Galaxien – große Sterneninseln, getrennt von der Milchstraße und Millionen von Lichtjahren entfernt.
Zwicky und Baade bemerkten, dass solche Galaxien manchmal Sternexplosionen beherbergten, die 100 Milliarden normale Sterne überstrahlen konnten. Da sie wussten, dass solche Explosionen enorm weiter entfernt waren als solche in unserer Galaxie, kamen die beiden Astronomen zu dem Schluss, dass sie zu einer neuen Klasse gehörten, die sie „Supernovae“ nannten, etwa 10 Millionen Mal leuchtender als Standardnovae.
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Was ist eine superleuchtende Supernova?
Der jüngste Sprung in der Leuchtkraft ist nicht so groß wie der Faktor 10 Millionen, aber er ist immer noch beeindruckend. Eine superleuchtende Supernova ist etwa zehnmal so leuchtend wie eine Typ-Ia-Supernova, die von einer sternenzerschmetternden Explosion eines Weißen Zwergs angetrieben wird – einem kompakten stellaren Überrest von etwa der Größe der Erde – der von Materie eines Begleitsterns überschwemmt wurde. Und es ist etwa 100-mal so stark wie eine Supernova vom Typ II, der andere Haupttyp von Supernova, der durch die Implosion des Kerns eines massereichen Sterns am Ende seines Lebens angetrieben wird.
Die erste superleuchtende Supernova wurde 2005 entdeckt und sie wurden 2011 allgemein als eigenständige Klasse von Sternexplosionen anerkannt, hauptsächlich durch die Arbeit von Prof. Robert Quimby von der San Diego State University.
Ihre Existenz war ein großer Schock für die astronomische Gemeinschaft. „Wir dachten, wir hätten alle Klassen explodierender Sterne entdeckt“, sagt Dr. Matt Nicholl von der University of Birmingham. „Wie um alles in der Welt haben wir die Klügsten übersehen?“
Ein Grund, warum superleuchtende Supernovae bis ins 21. Jahrhundert unbemerkt blieben, ist, dass sie extrem selten sind und nur etwa eine von 10.000 Supernovae ausmachen. Der andere Grund ist, dass sich Supernova-Suchen mit Teleskopen auf große Galaxien konzentrierten, wobei Astronomen – ganz verständlicherweise – argumentierten, dass je mehr Sterne in einer Galaxie, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass einer zur Supernova wird.
Die Natur hatte jedoch andere Ideen:Sie setzte superleuchtende Supernovae in Zwerggalaxien ein. „Erst mit dem Aufkommen von Roboterteleskopen mit großen Sichtfeldern gerieten Zwerggalaxien in unser Netz“, erklärt Nicholl. „Als das begann, entdeckten wir superleuchtende Supernovae. Bisher wurden etwa 100 gefunden.“
Was verursacht superleuchtende Supernovae?
Was für Sterne detonieren als solche kosmischen Megaexplosionen? Der größte Hinweis kommt aus den Spektren der Explosionen – die Art und Weise, wie sich das Licht mit der Energie oder der entsprechenden Frequenz ändert. Astronomen können den spektralen Fingerabdruck von schweren Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Neon sehen, aber nicht von den leichtesten zwei Elementen:Wasserstoff und Helium. Um zu verstehen, was das bedeutet, muss man etwas über die Entwicklung von Sternen verstehen.
Ein Stern wie die Sonne verschmilzt die Kerne oder Kerne von Wasserstoffatomen zu Helium, wobei das Nebenprodukt Sonnenlicht ist. Aber in Sternen, die zwischen 8 und 25 Mal so massiv sind wie die Sonne, können die Bedingungen im Kern dicht genug und heiß genug werden, um Helium zu Kohlenstoff, Kohlenstoff zu Sauerstoff, Sauerstoff zu Neon und so weiter zu verschmelzen. Potenziell können solche Fusionsreaktionen bis zum Eisen fortschreiten, an welchem Punkt sie keine Wärme mehr erzeugen (das heiße Gas des Kerns, das die Schwerkraft nicht mehr daran hindern kann, ihn zu zerquetschen, implodiert sofort).
Das Ergebnis ist ein Stern mit einer zwiebelartigen Struktur:Die schwersten Elemente befinden sich im Kern, während jede nachfolgende Schicht leichtere Elemente enthält, die in Helium und schließlich Wasserstoff im äußeren Mantel gipfeln. „Irgendwie haben die Sterne, die als superleuchtende Supernovae explodieren, diesen Wasserstoff und dieses Helium verloren“, sagt Nicholl.
Der offensichtliche Weg für einen Stern, seinen äußeren Mantel aus Wasserstoff und Helium zu befreien, führt über einen Sternwind, der dem Sonnenwind mit 1.000.000 Meilen pro Stunde ähnelt, aber weitaus stärker ist als der Sonnenwind, der von der Sonne weht.
Das Problem ist, dass Sternwinde in Sternen stärker sind, die ein paar Brocken schwerer Elemente in ihren Wasserstoff- und Heliummantel gemischt haben. Doch die massearmen Galaxien, in denen sich die Vorläufer superluminöser Supernovae befinden, haben einen Mangel an solchen Elementen. Das liegt im Grunde daran, dass die schwache Gravitation der Galaxien nicht in der Lage war, an schweren Elementen festzuhalten, die in früheren Sternengenerationen geschmiedet und durch gewöhnliche Supernovae in den Weltraum geschleudert wurden.
Eine andere Möglichkeit, einen Stern von seinem Mantel aus Wasserstoff und Helium zu befreien, besteht darin, dass er sich in einem engen Doppelsternsystem befindet und die Schwerkraft eines massereichen Begleitsterns ihn abgestreift hat. „Das scheint die wahrscheinlichste Möglichkeit zu sein“, sagt Nicholl.
Woher kommt die Kraft?
Die 64.000-Dollar-Frage lautet natürlich:Was treibt diese Mega-Sternexplosionen an? Eine offensichtliche Möglichkeit ist, dass sie lediglich aufgemotzte Versionen von Standard-Supernovae sind, deren Energiequelle letztlich Gravitationsenergie ist.
Um die Gravitationsenergie zu verstehen, denken Sie an Schiefer, der von einem Dach auf den Boden fällt. Die potenzielle Energie des Schiefers (die Energie, die er aufgrund seiner Höhe im Gravitationsfeld der Erde hat) wird in die Energien von Bewegung, Schall und Wärme umgewandelt. Wenn der Kern eines Sterns implodiert, ist es ähnlich, als würden unzählige Billiarden Schiefer fallen, und es entsteht eine enorme Menge an Gravitationsenergie, die in eine enorme Menge an Wärme umgewandelt wird. Ironischerweise ist es die Implosion, die die Explosion antreibt!
Bei einer superleuchtenden Supernova zeigt das Spektrum, dass zwischen 5 und 20 Sonnenmassen Sauerstoff ausgestoßen werden. Im Vergleich dazu werden zwei bis vier Sonnenmassen Sauerstoff in einer Supernova vom Typ Ic ausgestoßen, die in einem Standardstern ohne Wasserstoff und Helium auftritt.
Die Implikation ist, dass die Sterne nur ein paar Mal größer sind als die Sterne, die für normale Supernovae verantwortlich sind, und daher ist es unwahrscheinlich, dass eine Standardexplosion sie zehnmal so hell macht.
Der entscheidende Grund dafür, warum superleuchtende Supernovae nicht einfach aufgemotzte Versionen von Standard-Supernovae sind, ist, dass eine normale Supernova etwa einen Monat lang hell bleibt, weil sie durch den radioaktiven Zerfall von Nickel-56 und Kobalt-56 angetrieben wird, die in der Wut der erste Explosion. „Allerdings werden etwa 20 Sonnenmassen solcher Elemente benötigt, um eine superleuchtende Supernova anzutreiben“, sagt Nicholl. „Obwohl wir ungefähr 20 Sonnenmassen Sauerstoff sehen, sehen wir nicht die gleiche Menge an Nickel und Kobalt.“
Ein weiterer möglicher Mechanismus für eine superleuchtende Supernova ist die Druckwelle, die sich mit etwa 10.000 Kilometern pro Sekunde durch den Weltraum ausbreitet und auf eine sich langsam bewegende zirkumstellare Hülle aus Materie trifft, die einige Zeit vor der Explosion vom Stern ausgestoßen wurde. Die schnelle Verlangsamung der Druckwelle würde das Auswurfmaterial sehr effizient schockerhitzen und seine Bewegungsenergie in ungeheure Mengen an Wärme und Licht umwandeln.
„Das Problem ist, dass wir in den Spektren superluminöser Supernovae keine Hinweise auf sich langsam bewegende Dinge sehen“, sagt Nicholl.
Damit bleibt ein letzter Kandidat für den Motor der superleuchtenden Supernova übrig. Wenn der Kern schrumpft, ist der Endpunkt ein sehr kompaktes Objekt wie ein Neutronenstern. Von einem solchen Objekt mit einer Masse, die mit der Sonne vergleichbar ist, aber nur die Größe des Mount Everest hat, würde man erwarten, dass es sich schnell dreht, aus dem gleichen Grund, aus dem sich ein Schlittschuhläufer, der seine Arme einzieht, schneller dreht:Erhaltung des Drehimpulses. Tatsächlich könnte sich ein solches Objekt bis zu 1.000 Mal pro Sekunde drehen!
„So ein außergewöhnliches Schwungrad hat mehr als genug Rotationsenergie, um eine superleuchtende Supernova mit Energie zu versorgen, wenn es eine Möglichkeit gibt, diese Energie nach außen zu übertragen“, sagt Nicholl. „Glücklicherweise gibt es das.“
Wenn der Kern eines Sterns katastrophal implodiert, wird jedes Magnetfeld, das der Stern besaß, enorm konzentriert und verstärkt. Der Neutronenstern könnte am Ende ein gewaltiges Magnetfeld haben – diese Neutronensterne sind als „Magnetare“ bekannt. Das Magnetfeld eines solchen Magnetars könnte im Bereich von 10 (eine Billion) bis 10 (1.000 Billionen) Gauss (eine Einheit zur Messung von Magnetfeldern) liegen. Zum Vergleich:Selbst das minimale Feld ist 100 Milliarden Mal stärker als ein Kühlschrankmagnet.
Das Problem ist, dass je größer das Magnetfeld ist, desto mehr interagiert es mit umgebendem Material und desto schneller „bremst“ diese Wechselwirkung die Rotation des Magnetars. „Um eine Supernova etwa einen Monat lang hell zu halten, ist ein niedrigeres Magnetfeld erforderlich“, sagt Nicholl. "Es gibt einen Sweet Spot bei etwa 10 bis 10 Gauss."
Der genaue Mechanismus, durch den der Magnetar das vom Stern ausgestoßene Material mit Energie versorgt, ist noch nicht bekannt. Aber Nicholl sagt, dass es eine Möglichkeit gibt, die Idee eines Magnetars als Zentralmotor zu beweisen oder zu widerlegen. Sein Magnetfeld ist so stark, dass es Elektron-Positron-Paare aus dem umgebenden Vakuum hervorzaubern wird, und ihre anschließende Vernichtung sollte eine charakteristische Spitze aus hochenergetischem Licht oder Gammastrahlen erzeugen. „Der Abfall von Gammastrahlen sollte den Spindown des Magnetars genau verfolgen“, sagt Nicholl.
„Ich denke, das Magnetar-Modell ist der eindeutige Favorit, um die meisten superlumineszierenden Supernovae anzutreiben“, sagt Quimby. „Einige Supernovae markieren die Geburt von Neutronensternen, und es sollte ausreichen, nur einen kleinen Bruchteil der Energie solcher Bestien anzuzapfen, um ein bemerkenswertes Feuerwerk zu erzeugen.“
Aber nicht alle sind sich einig, dass Magnetare die Motoren superleuchtender Supernovae sind. „Ich bevorzuge einen Mechanismus, bei dem die Auswürfe einer energiereichen Supernova mit massiver zirkumstellarer Materie kollidieren und die kinetische Energie der Supernova effizient in Strahlung umgewandelt wird“, sagt Dr. Takashi Moriya vom National Astronomical Observatory of Japan. Aber er räumt ein:„Möglicherweise gibt es keinen einzigen Mechanismus, der Supernovae extrem hell macht.“
Suche nach superleuchtenden Supernovae
Obwohl es fast zwei Jahrzehnte gedauert hat, die ersten 100 superleuchtenden Supernovae zu finden, wird die Entdeckungsrate bald durch das Vera-C-Rubin-Observatorium gesteigert, wenn es im Oktober 2023 in Chile seinen Betrieb aufnimmt. Das Teleskop wird Nacht für Nacht den gesamten Himmel beobachten. „Diese Fähigkeit wird das Feld von Grund auf verändern“, sagt Nicholl. „Statt 100 in 15 Jahren rechnen wir damit, jedes Jahr 1.000 superleuchtende Supernovae zu entdecken!“
Eine noch köstlichere Aussicht bietet das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA, der Nachfolger von Hubble. Mit seinem 6,5-m-Spiegel (4,5-fache Sammelfläche von Hubble) wird es in der Lage sein, superleuchtende Supernovae in größerer Entfernung zu erkennen, was aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit zu früheren kosmischen Zeiten bedeutet.
Zu Beginn des Universums existierten viel mehr Zwerggalaxien als heute, weil sie keine Zeit hatten, sich zu verschmelzen, um die riesigen Galaxien wie die Milchstraße zu bilden, die wir heute sehen. Sie waren auch an schweren Elementen erschöpft, weil die Sterne seit dem Urknall keine Zeit hatten, sie zu synthetisieren. Und es gibt theoretische Gründe zu der Annahme, dass die erste Generation von Sternen, die sich nach dem Urknall bildete, Monster waren – möglicherweise mehr als 100 Sonnenmassen. „Superleuchtende Supernovae hätten zu Beginn der Zeit leicht häufiger vorkommen können“, sagt Nicholl.
Dies wirft eine interessante Möglichkeit auf. Das Eisen in Ihrem Blut, das Kalzium in Ihren Knochen, der Sauerstoff, der Ihre Lunge bei jedem Atemzug füllt … all dies wurde in Sterne geschmiedet, die lebten und starben und sich in Stücke sprengten, bevor Erde und Sonne geboren wurden. Vielleicht hat superlumineszierende Supernova einen erheblichen Teil der schweren Elemente im Universum beigetragen. In diesem Fall müssen Sie möglicherweise nicht weit schauen, um die Früchte der superleuchtenden Supernovae zu sehen. Halten Sie einfach Ihre Hand hoch!
Die ersten explodierenden Sterne wurden vor etwa 2.000 Jahren von chinesischen Astronomen aufgezeichnet. Aber erst 1931 erkannten Astronomen, dass es eine Klasse von Superexplosionen gibt und erst 2005 eine Klasse von Super-Super-Explosionen. Die offensichtliche Frage ist:Gibt es da draußen noch größere Sternexplosionen, die wir bisher übersehen haben? „Ich würde nicht dagegen wetten“, sagt Nicholl.
„Superluminöse Supernovae könnten die Grenze dessen markieren, was für Supernovae möglich ist – zumindest lokal“, sagt Quimby. „Die großen Ausnahmen sind die hypothetischen Paar-Instabilitäts-Supernovae, von denen angenommen wird, dass sie nur im frühen Universum existieren.“
Bei einer Paar-Instabilitäts-Supernova, die voraussichtlich in einem Stern zwischen 130 und 250 Sonnenmassen auftritt, wird das Innere so heiß, dass Gammastrahlen darin Elektron-Positron-Paare hervorrufen. Diese reduzieren den thermischen Druck, der der Schwerkraft entgegenwirkt,
und versuchen, den Kern zu zerquetschen, was einen katastrophalen Zusammenbruch und eine titanische Explosion auslöst, die den Stern in Stücke sprengt.
Eine Paar-Instabilitäts-Supernova würde 100-mal heller strahlen als selbst eine superleuchtende Supernova. Solche Supernovae könnten vom James-Webb-Weltraumteleskop entdeckt werden. „Als Jäger exotischer Explosionen“, sagt Quimby, „denke ich gerne, dass es im Universum noch mehr Überraschungen zu entdecken gibt.“
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 373 des BBC Science Focus Magazine – Hier erfahren Sie, wie Sie sich anmelden können
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