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Letzte Änderung: 18.06.2003
Supernovae - eine Variante des Sterntodes
Supernovae sind - rein beschreibend - plötzlich "auftauchende" Sterne am Himmel, vergleichbar den Novae; in der Tat handelt es sich aber ebensowenig um neue Sterne wie bei diesen.Novae und Supernovae gemeinsam ist eine enorme Helligkeitszunahme eines Sterns bzw. Doppelsternsystems, nur daß die bei den Supernovae freigesetzten Energiemengen die der Novae nochmals um den Faktor 100.000 "toppen" und somit für eine kurze Zeit heller leuchten können als eine gesamte Galaxie. Anders als die Novae sind Supernovae nicht wiederkehrend - warum, wird im folgenden klar.
Supernovae werden mittlerweile in vier Typen eingeteilt, die sich anhand zeitlichem Helligkeitsverlauf (der sog. Lichtkurve, siehe Veränderliche Sterne), Spektraleigenschaften und Mechanismus voneinander unterscheiden: Typ Ia, Ib, Ic sowie Typ II.
Den Novae am ähnlichsten (vom Mechanismus her) sind die Typ Ia - Supernovae. Wie bei diesen ist der Vorläufer der Supernova ein enges Doppelsternsystem, dessen einer Partner ein weißer Zwerg (also ein sehr alter Sternrest, der keinen Wasserstoff mehr enthält) mit einer Masse nahe der Chandrasekhar-Grenze ist. Auch hier fließt kontinuierlich Materie vom Begleitstern auf den weißen Zwerg über und wird dort an der Oberfläche durch Fusionsprozesse weitestgehend zu Helium und Kohlenstoff verarbeitet. Wenn nun aber die "magische Grenze" von 1.4 Sonnenmassen überschritten wird, ist der weiße Zwerg als solcher nicht mehr stabil: Er kollabiert.
Bei diesem Kollaps werden die äußeren Schichten des weißen Zwergs nun durch die enorme Anziehungskraft sehr stark beschleunigt und in Richtung Zentrum stürzen; dabei heizt sich die Materie immer weiter auf, bis dann die Temperatur überschritten wird, bei der die Fusion von Kohlenstoff (dem Hauptanteil eines weißen Zwerges) einsetzt. Die Materie im Innern eines weißen Zwerges ist entartet, d. h. die Wärmeleitfähigkeit ist so groß, daß diese Temperatur fast überall gleichzeitig erreicht wird. Die beim Kohlenstoffbrennen erzeugte Energie nun sorgt für eine weitere Erhitzung, so daß auch die durch die Fusion selbst erzeugten schwereren Elemente (Sauerstoff, Silizium etc.) ebenfalls mit so ziemlich jedem Atomkern fusionieren können, auf den sie stoßen; dies erzeugt zum Teil noch mehr Energie. Insgesamt wird so innerhalb kürzester Zeit weit mehr Energie erzeugt als nötig wäre, gegen die nach innen gerichtete Gravitation anzukommen: Der Stern wird durch die Kettenreaktion vollständig zerstört.
Da bei diesen Typ Ia - Supernovae ein Stern detoniert, der keinen Wasserstoff mehr enthält (dies gilt für alle Typ I - SNs), fehlen beim Licht dieser Supernovae völlig die Spektrallinien des Wasserstoffs, die sonst natürlich bei jedem "ordentlichen" Stern vorhanden sind; anders sieht dies bei den Supernovae vom Typ II aus, auf die ich später kommen will.
Auch Supernovae vom Typ Ib und Ic haben als Vorläufer sehr alte (bzw. weit entwickelte) Sterne, die allerdings nicht zwingend in einem engen Mehrfachsystem stehen müssen. Diese Vorläufersterne haben in ihrer Entwicklung ihre wasserstoffreichen äußeren Schichten abgestoßen, teils durch starke Sternwinde wie z.B. die sogenannten Wolf-Rayet-Sterne, teils durch explosives Abstoßen dieser Schichten bei weit entwickelten roten Riesen - ein Prozess, den man bei sehr schweren veränderlichen Sternen heute beobachten kann. Vorläufer der Typ Ic - Supernovae haben sich weiterhin auch von den heliumreichen Schichten "verabschiedet". Diese Aussagen über den Aufbau der Supernova-Vorläufer sind natürlich (sagen wir: leider) nicht durch direkte Beobachtung entstanden, sondern aufgrund der Tatsache, daß in den Spektren der Supernovae dieser Typen die Linien von Wasserstoff und (Typ Ic) Helium fehlen.
Auslöser für die Supernova ist bei Typ Ib und Ic nicht zuströmende Materie eines Begleitsterns, sondern wohl eher energetische Instabilität in den Zentren der Vorläufer; sie "brennen" schon lange keinen Wasserstoff mehr, was ja die Energiequelle der soliden Hauptreihensterne ist, sondern beziehen ihre Strahlungsenergie (die ja nicht nur zum Leuchten führt, sondern auch den Stern gegen die Schwerkraft stabilisiert) aus der Fusion schwererer Elemente, wie im Abschnitt Wasserstoffkrise angerissen. Alle diese späteren Fusionsprozesse (von He zu C und O, von C zu Mg und Ne, von diesen Elementen weiter zu Fe) erzeugen weniger Energie (ausgedrückt in einer ziemlich unhandlichen Einheit, dem Megaelektronenvolt, MeV) als die "normale" Wasserstoffusion, was den Kern kontrahieren und die Temperatur ansteigen läßt; auch müssen die Prozesse immer schneller ablaufen, d.h. das Heliumbrennen verbraucht den Vorrat an Helium schneller als dieser vorher gebildet wurde, der Kohlenstoffvorrat ist noch schneller erschöpft und so weiter. Hier sieht man schon, daß nach dem Verbrauch des Wasserstoffs ein "Teufelskreis" beginnt.
Am Ende steht die Katastrophe: Alle erdenklichen energiefreisetzenden Fusionsprozesse sind erschöpft, und dem in Millisekundenschnelle einsetzenden Gravitationskollaps steht nichts mehr entgegen. Der Sternkern stürzt in sich zusammen, bis die kollabierende Materie auf plötzlich einsetzenden Widerstand stößt - den im innersten des Sternkerns entstandenen Neutronenstern; dieser ist sehr "fest", läßt sich also nicht wie Gas oder selbst die in weißen Zwergen bekannte entartete Materie komprimieren. Beim Aufprall der äußeren Kernschichten reagiert der innerste Kern äußerst elastisch, und die äußeren Kernschichten werden mit enormer Gewalt fortgeschleudert. Diese Stoßwelle erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 10.000 km/s - einem Dreißigstel der Lichtgeschwindigkeit!
Vom Mechanismus sehr ähnlich sind die Typ II - Supernovae; hier ist ebenfalls eine Energiekrise im Sternkern der Auslöser der Supernova, allerdings handelt es sich um Vorläufersterne, die noch in ihre Sternhülle eingepackt sind; deswegen sind im Licht der Typ II - Supernovae auch die Linien des Wasserstoffes enthalten. Daß die Hülle beim Kollaps des Kerns noch vorhanden ist, deutet auf eine viel raschere Entwicklung des Vorläufersterns hin - es dürfte sich bei den Vorgängern von Typ II - Supernovae also um besonders schwere Sterne handeln.
Neben den energieerzeugenden Fusionsreaktionen werden bei der hohen Energie einer Supernovaexplosion auch solche stattfinden, die Energie verbrauchen und üblicherweise nicht in Sternen stattfinden; so werden Atomkerne erzeugt, die schwerer als die des Eisens sind - alle Elemente mit Ordnungszahlen jenseits des Eisens werden ausschließlich bei Supernovae "produziert". Vergleichbar ist das mit den Transuranen, die nicht natürlich vorkommen, sondern in speziellen Reaktoren bzw. in der Mehrzahl nur in Teilchenbeschleunigern unter enormem Energieaufwand in kleinen Mengen hergestellt werden.
An dieser Stelle interessieren besonders die stark radioaktiven Nuklide 57Co sowie 56Co (Kobalt); diese sind größtenteils für den Verlauf der Lichtkurve einer Supernova nach dem Helligkeitsmaximum verantwortlich. Entstanden bei der Explosion selbst, zerfallen sie rasch unter Aussendung von Gammastrahlung. Diese Gammastrahlung wird - wie im Inneren der Sterne - durch mehrfache "Kollision" mit Partikeln in der Explosionswolke einen Teil ihrer Energie verlieren, bis sie schließlich größtenteils im Wellenbereich der Röntgen- und UV-Strahlung liegt. Dabei wird einerseits die Wolke wiederum angeheizt, andererseits sind auch Röntgen- und UV-Strahlung geeignet, an umgebener Materie für Leuchterscheinungen zu sorgen. Da die radioaktiven Isotope langsam unter Ausstrahlung der genannten Gammawellen zerfallen, nimmt die Helligkeit einer Supernova nach dem Explosions-Maximum relativ langsam ab. Hinzu gesellen sich teils Lichtecho-Effekte, wie bei der berühmten Supernova 1987A in der großen Magellanschen Wolke beobachtet: Das Explosionslicht wurde ja in alle Richtungen abgestrahlt; einige Jahre nach dem eigentlichen Ereignis fiel das Licht auf eine im Hintergrund liegende Molekülwolke und wurde von dort aus zurückgeworfen, so daß für uns die Helligkeit im Umkreis der Supernova Jahre später wieder anstieg.
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