Supernovae

Warten auf den großen Knall

Von Ulf von Rauchhaupt
17.01.2020
, 21:56
Die nächste Supernova in unserer Galaxie ist irgendwann fällig. Wird sie den schönsten Stern des Orions zerreißen? Oder ein Monster am Südhimmel?

Orion ist in unseren Breiten das Sternbild des Winters. Prächtig prangt der mythische Jäger jetzt am Abendhimmel. Doch just als er im Dezember wieder so richtig zur Geltung gekommen war, machte die Nachricht die Runde, sein schönster Stern, der orangerote Alpha Orionis alias Betelgeuse (oder Beteigeuze), habe sich verfinstert. Zuvor der sechsthellste Fixstern, war er auf einmal nur noch Nummer 21. Ist das vielleicht das erste Anzeichen des bevorstehenden Untergangs Betelgeuses in einer gewaltigen Explosion, einer Supernova?

Tatsächlich wird ihn dieses Schicksal einmal ereilen. Betelgeuse ist ein überschwerer Stern, zehn- bis zwanzigmal massereicher als die Sonne. Der Wasserstoff in seinem Kern, der ihm zehn Millionen Jahre lang als Fusionsbrennstoff diente, ist aufgebraucht, stattdessen brennt dort jetzt die Fusions-Asche, das Helium. Wasserstoffkerne werden nur noch weiter außen verschmolzen, und als Folge davon hat sich der Stern extrem aufgebläht. Denkt man sich Betelgeuses Zentrum an der Stelle der Sonne, befände sich seine Oberfläche fast an der Jupiterbahn.

Derweil verschmilzt das Helium in seinem Zentrum zu Kohlenstoff. Die Energieausbeute dieser Reaktion ist geringer, und es dauert nur gut eine Million Jahre, bis im Kern des Sterns auch kein Helium mehr übrig ist. Wie zuvor das Helium wird nun die Kohlenstoffasche von der enormen Schwerkraft komprimiert und zündet ihrerseits. Doch Kohlenstofffusion ist noch weniger ergiebig. So bleiben dem Stern nur noch wenige tausend Jahre, dann starten Fusionsprozesse zu Kernen noch schwererer Elemente bis hinauf zum Eisen, deren Energie dann aber nur noch für wenige Jahre reicht. Ist sie verbraucht, stürzt der ganze Stern in sich zusammen. Sein Zentrum wird zu einem harten Ball aus Neutronen, auf den nun die nachstürzende Sternmaterie prallt und eine Schockwelle nach außen schickt. Erreicht sie die Oberfläche, zerreißt es den Stern in einer Explosion, die vorübergehend so hell strahlt wie eine ganze Galaxie. Aus der Entfernung der 600 bis 700 Lichtjahre, die Betelgeuse von uns trennen, bleibt das für Erdbewohner ungefährlich, aber es wird eine phantastische Show: Wochenlang wird Orions Schulterstern so hell leuchten wie der Vollmond, vielleicht sogar noch heller. Auch tagsüber wird man ihn sehen und nachts in seinem Licht lesen können. Nach einigen Monaten aber beginnt die Trauerarbeit. Denn langfristig bleibt von Betelgeuse nur der zentrale Neutronenball oder, wenn der noch zu schwer ist, ein Schwarzes Loch. Für das bloße Auge ist dann nichts mehr da. Dem Orion wird seine Schulter fehlen und unser Firmament nicht mehr dasselbe sein.

Die aktuelle Verfinsterung Betelgeuses jedoch ist höchstwahrscheinlich kein Vorbote seines Untergangs. Seine Helligkeit schwankt, das wurde schon 1836 bemerkt, und heute weiß man auch, woran das liegt: Seine Oberfläche ist nicht so schön symmetrisch wie die der Sonne, sondern wird von riesigen, aus seinem Inneren aufsteigenden Blasen ausgebeult. Obendrein ist er von einem Gewirr an Materie umgeben, die sich von dem sterbende Stern abgelöst hat. „Die momentane Helligkeitsabnahme ist statistisch selten, aber nicht einzigartig“, sagt Hans-Thomas Janka vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching. „Vermutlich hat der Stern etwas mehr Massenverlust erlitten, und die expandierenden kühlenden Gase verdunkeln ihn.“ Janka, einer der führenden Supernova-Forscher in Deutschland, ist auch sonst skeptisch. „Es gibt keinen einzigen Grund anzunehmen, dass sich ein Supernova-Ereignis durch ein Dunklerwerden des Vorläufersterns ankündigt.“ Im Gegenteil, Beobachtungen in vergangenen Jahren deuteten vielmehr an, dass ein Teil dieser Sterne Tage, Wochen oder Monate vor ihrer Explosion heller wurde. „Grund dafür ist die gewaltige Beschleunigung der nuklearen Brennprozesse im Sternzentrum.“

So bleibt uns Orions Schulter also fürs Erste erhalten, auch wenn niemand weiß, wie lange. Das liege an ganz grundsätzlicher Physik, erklärt Janka. „Mit Beginn und speziell nach dem Heliumbrennen entkoppelt sich die Entwicklung des stellaren Kerns von der Sternhülle.“ Die äußere Erscheinung des Sterns lasse daher keine Rückschlüsse auf den Entwicklungszustand seines Kerns zu. Insbesondere wisse man nicht, ob Betelgeuse schon die Fusion von Kohlenstoff gezündet hat oder nicht. „Was der kleine Kern des Sterns im Inneren der riesigen Hülle genau treibt, ist nicht beobachtbar.“ Es fehle also schlicht die Empirie, um die Frage zu beantworten, wann Betelgeuse zur Supernova wird. „Im Prinzip könnte es noch eine Million Jahre dauern, es könnte aber auch schon ,morgen‘ passieren.“

Für die Astrophysiker, die das erleben, wird es ein Fest. Die jüngste in der Milchstraße sichtbare Supernova wurde anno 1604 von Johannes Kepler beobachtet. Ihr Ort war mehr als dreißigmal weiter weg als Betelgeuse, und ihr Licht erreichte die Erde ein paar Jahre bevor man das erste Teleskop zum Himmel richtete. Die nächstgelegene Supernova, die mit moderner Technik untersucht werden konnte, detonierte 1987 rund 160000 Lichtjahre entfernt in einer benachbarten Zwerggalaxie, der Großen Magellanschen Wolke. Betelgeuses Supernova wird aber nicht nur mit Teleskopen in allen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums verfolgt werden. Auch die Gravitationswellen wird man nachweisen können sowie die Neutrinos.

Der ganz große Rumms: Eta Carinae

Das sind äußerst leichte und äußerst reaktionsunwillige Elementarteilchen, für deren Nachweis man Detektoren, so groß wie Industrieanlagen, benötigt. Bereits in den Fusionsprozessen normaler Sterne entstehen sie in enormer Zahl. In Endstadien von Riesensternen und vor allem in Supernovae steigt die Zahl der freiwerdenden Neutrinos derart ins Gigantische, dass sogar die außergalaktische Supernova 1987 sich in damaligen Neutrinodetektoren bemerkbar machte. Da die Teilchen selbst von Sternmaterie kaum aufgehalten werden, erreicht das Neutrinosignal einer Supernova die Erde Minuten bis Tage vor dem Licht der Explosion. Seit 2004 gibt es daher ein Frühwarnsystem aus Neutrinodetektoren, die es im Fall der Fälle ermöglichen sollen, Teleskope und Instrumente rechtzeitig in Stellung zu bringen.

Dabei geht es nicht spezifisch um Betelgeuse. In der Milchstraße liegen noch viele andere Sterne im Sterben. Am prominentesten ist vielleicht das monströse System Eta Carinae am Südhimmel, das Mitte des 19. Jahrhunderts Ort eines gewaltigen Energieausbruchs war, diesen aber überstand. Mit 7500 Lichtjahren ist es zwar viel weiter entfernt als Betelgeuse, sein Abgang wird aber dereinst noch viel spektakulärer ausfallen. „Eta Carinae, wird eine unglaublich energiereiche Supernova“, sagt Bradley Schaefer von der Louisiana State University, „wahrscheinlich am allerobersten Ende der Skala.“ Den Zeitpunkt dieses größtmöglichen Knalls vorherzusagen ist indes noch viel hoffnungsloser als im Fall Betelgeuse. „Entweder ist Eta Carinae ein fetter Einzelstern mit vielleicht mehr als hundert Sonnenmassen“, sagt Hans-Thomas Janka „oder ein Doppelstern aus zwei richtig schweren Sternen, so um achtzig Sonnenmassen, mit einem Begleiter von mehr als zwanzig Sonnenmassen. Diese Unsicherheit allein macht eine genaue Vorhersage für Eta Carinae äußerst schwierig.“ Wahrscheinlich wird aber weder dieses Ungetüm den nächsten großen Rumms der Galaxis verursachen noch einer der anderen bekannten Sterne, deren Ende als Supernova gewiss ist, etwa Antares im Sternbild Skorpion. Eher wird es irgendein Roter Überriese sein, der heute, wenn überhaupt, nur Fachleuten unter einer unhandlichen Katalognummer bekannt ist.

Verlängerte Vorwarnzeit

Denn im Schnitt detonieren in der Milchstraße in jedem Jahrhundert zwischen einer und drei Supernovae – vielleicht vier, wenn man die sogenannten Ia-Supernovae dazurechnet, hinter denen ein anderer Prozess steht als der beschriebene Kernkollaps. Diese Rate folgern die Forscher aus verschiedenen Datensätzen, etwa Häufigkeiten in anderen, der Milchstraße ähnlichen Galaxien. Dass die letzte von Kepler vor 400 Jahren gesichtet wurde, bedeutet aber keineswegs, dass die nächste jetzt „überfällig“ sei. So hat man etwa im Sternbild Schütze die Trümmer einer Ia-Supernova entdeckt, die um das Jahr 1900 explodiert sein muss, was damals aber wegen der dichten interstellaren Wolken in jener Himmelsgegend verborgen geblieben war.

Das kann heute nicht mehr passieren, schon der Neutrinodetektoren wegen. Deren Vorwarnzeit soll sich in Zukunft noch verlängern. „Wenn der Stern in der Kohlenstoff-Brennphase ist, steigen die Neutrinoflüsse enorm an“, erklärt Hans-Thomas Janka. „Aber es kommen dann nur relativ niederenergetische Neutrinos heraus.“ Und es seien immer noch viele Milliarden Mal weniger als bei der finalen Supernova. Der größte momentan existierende Neutrinodetektor, der „Super-Kamiokande“ in Japan, werde momentan so umgerüstet, dass man erwartet, damit Neutrinos aus den letzten zwölf Stunden vor dem zentralen Kollaps Betelgeuses messen zu können. „Ab Mitte nächsten Jahres will man so weit sein“, sagt Janka. „Mit dem nun genehmigten Nachfolgeinstrument, dem ,Hyper-Kamiokande‘, wird man die Neutrinos dann vielleicht über die letzten Monate des Sterns messen können.“ Das werde aber frühestens ab 2026 möglich sein.

V Sagittae: Ein kleiner Stern kommt ganz groß raus

Die Supernova-Forscher haben also Anlass zur Hoffnung, auch in der Milchstraße bald fündig zu werden, selbst wenn Betelgeuse uns noch viele Menschenalter erhalten bleibt. Auf eine stellare Gewaltszene unterhalb der Supernova-Schwelle dürfen sich zukünftige Astrophysiker freuen, die jetzt gerade geboren werden, sofern sich bestätigt, was Bradley Schaefer und zwei seiner Kollegen der Louisiana State University vergangene Woche auf einer Tagung der American Astronomical Society in Honolulu vorgetragen haben.

Es betrifft das mit bloßem Auge unsichtbare Sternchen V Sagittae in dem kleinen Sternbild Pfeil, zwischen Adler und Schwan. Es handelt sich um einen Doppelstern. Der eine Partner ist ein Weißer Zwerg, der kompakte Rest eines Sterns, dessen Fusionsfeuer erloschen ist, ohne dass seine Masse für eine Supernova gereicht hätte. Sein Partner ist ein normaler Stern, aus dessen Hülle Gas auf den Weißen Zwerg überfließt und der fast viermal schwerer ist. „In allen anderen solchen Systemen ist der Weiße Zwerg der schwerere Partner“, sagt Schaefer. Hier sei es umgekehrt, und das führe dazu, dass die überfließende Gasmenge immer drastischer ansteige, die beiden sich immer enger umkreisten und schließlich kollidierten. Wenn das passiert, wird der mehr als 7000 Lichtjahre entfernte V Sagittae plötzlich für einige Monate der hellste Stern am Himmel werden. „Die Leuchtkraft steigt bis auf etwas weniger als das Maximum einer Supernova“, sagt Schaefer. Aber anders als beim Vorgängerstern einer Supernova lässt sich aus Beobachtungen gut ableiten, wann etwa es passieren wird: zwischen 2067 und 2099, am wahrscheinlichsten im Jahr 2083.

Quelle: F.A.S.
Autorenporträt / Rauchhaupt, Ulf von (UvR)
Ulf von Rauchhaupt
Verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.
  Zur Startseite
Verlagsangebot
Verlagsangebot