Wie explodieren massereiche Sterne?

News: Wie explodieren massereiche Sterne?

Supernovae gehören zweifelsohne zu den eindrucksvollsten Schauspielen des Sternenhimmels. Noch ist vieles über die genauen Mechanismen, die das Phänomen auslösen, unbekannt. Astronomen entwickelten nun ein einfaches, analytisches Modell, das die komplizierten Prozesse klären soll, die zur Supernovaexplosion massereicher Sterne führen. Das Modell ermöglicht es, die Rolle von Neutrinos bei der Explosion besser zu verstehen. Es ergänzt dadurch genauere, aber auch weniger leicht zu durchschauende Computersimulationen.

Sterne mit einer Masse von mehr als zehn Sonnenmassen beenden ihr Leben in einer Supernovaexplosion, begleitet von einem grandiosen kosmischen Feuerwerk, das für mehrere Wochen die Helligkeit einer ganzen Galaxie erreichen kann. Die Trümmer des explodierenden Sterns werden mit einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit in den zirkumstellaren Raum geschleudert. Die ausgeworfenen Sternengase reichern das interstellare Medium mit schweren Elementen an, die der Stern über Jahrmillionen erbrütet hat, und mit radioaktiven Atomkernen, die während der ersten Sekunden der Explosion entstanden sind.

So beeindruckend die beobachtbare Supernova auch ist, sie ist dennoch nur ein schwacher Abglanz eines noch viel gewaltigeren Ereignisses: Der Eisenkern des massereichen Sterns kollabiert zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch, einem kompakten Überrest von nur etwa 20 Kilometern Größe, der im Zentrum der auseinander rasenden Gaswolke des zerstörten Sterns übrig bleibt. Zehntausend mal mehr Energie als im Supernovalicht wird dabei über Neutrinos freigesetzt. Dies sind Elementarteilchen, die in riesiger Zahl bei den extremen Bedingungen in einem heißen Neutronenstern entstehen.

Obwohl diese Neutrinos nur sehr selten mit dem stellaren Gas um den dichten Neutronenstern wechselwirken, können sie dennoch genug Energie in einem Volumen von wenigen hundert Kilometern Durchmesser freisetzen, um die Explosion des Sterns auszulösen. Die extrem komplexen Prozesse, die dabei eine Rolle spielen, sind jedoch nicht zufriedenstellend geklärt. Selbst die aufwendigsten hydrodynamischen Simulationen auf modernsten Supercomputern liefern kein klares Bild, wie und wodurch der Stern zu explodieren beginnt. Es ist von großer Bedeutung, ein tieferes Verständnis für den Mechanismus der Explosion zu entwickeln, denn zentrale Fragen sind direkt an ihn geknüpft, zum Beispiel ob in der Supernova ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch gebildet wird, oder wie viel radioaktives Material während der Explosion erzeugt wird.

Am Max-Planck-Institut für Astrophysik entwickelten Wissenschaftler deshalb ein analytisches Modell, mit dem sich grundlegende Einsichten in den Ablauf der Explosion gewinnen lassen. Kurz nach seiner Entstehung wird der Supernovastoß von rivalisierenden Effekten beeinflusst: Einerseits fällt auf ihn Materie des kollabierenden Sterns, andererseits heizt und kühlt die Wechselwirkung mit Neutrinos das Gas hinter dem Stoß. Damit wird das Schicksal des Stoßes sowohl durch die Struktur des kollabierenden Sterns bestimmt, als auch durch die Neutrinoemission aus dem entstehenden Neutronenstern. Nur bei geeigneten Bedingungen kann der Stoß weiter expandieren und erhält genug Energie von den Neutrinos, um die Sternexplosion zu treiben.

Insbesondere ist dafür eine ausreichend große Neutrinoleuchtkraft des Neutronensterns notwendig. Dadurch wird nicht nur der Energieübertrag in der Heizregion verstärkt, sondern auch der Energieverlust aus der Kühlregion gedrosselt. Der zweite Effekt scheint sogar bedeutender zu sein, da er verhindert, dass das stellare Gas sehr schnell auf den Neutronenstern fällt, noch bevor es Zeit hatte, in der Heizschicht effizient Energie von den Neutrinos zu absorbieren. Die analytische Diskussion zeigt auch, dass die Energie neutrinogetriebener Explosionen auf einen Wert um 10⁵¹ erg begrenzt ist, was durchaus der Beobachtung bei einer typischen Sternexplosion entspricht. Der Grund hierfür ist, dass die Nukleonen sich sofort aus der Heizregion wegbewegen, wenn sie von den Neutrinos soviel Energie erhalten haben, dass sie der Gravitationsanziehung des Neutronensterns entkommen können.

Das analytische Modell kann also die Bedingungen eingrenzen, wo hydrodynamische Modelle Explosionen finden sollten. Darüber hinaus ermöglicht es allgemeine Aussagen über grundsätzliche Eigenschaften neutrinogetriebener Explosionen.