Supernovae

Kerzen am Rande des Universums

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Ein Weißer Zwerg explodiert (Supernova Typ 1a)

16. August 2005 Zweimal könnten Supernovae vom Typ Ia unser Weltbild erschüttert haben. Bei jener, die Johannes Keppler anno 1604 beobachtete, mag man sich noch streiten, in wie weit sie am Untergang der auf Unveränderlichkeit bedachten aristotelischen Himmelslehre Anteil hatte. Die zweite Erschütterung ist dagegen unstrittig: Anfang 1998 veröffentlichten Astronomen Beobachtungen, aus denen hervorging, daß sich die seit langem bekannte Expansion des Universums beschleunigt. Für viele Physiker war das ähnlich schockierend, als hätte man kleine grüne Männchen entdeckt. Denn der Befund ließ sich mit anderen Beobachtungen nur in Einklang bringen, wenn das Universum zu 70 Prozent aus einem blähenden Etwas besteht. Man taufte es „Dunkle Energie“ und kein Forscher hat auch nur die leiseste Ahnung, um was es sich dabei handeln könnte.

Auf die kosmische Beschleunigung hatte man aus Entfernungsmessungen extrem weit entfernter Galaxien geschlossen. Nun sind solche Entfernungsmessungen heikel. Direkt läßt sich die Distanz zu einer weit entfernten Lichtquelle meist nur erschließen, wenn ihr Energieausstoß bekannt ist. Den aber sieht man ihr so ohne weiteres nicht an - es sei denn, man identifiziert sie aufgrund ihrer Lichtspektren und der Geschwindigkeit ihres Verlöschens als eine Supernova vom Typ Ia. Von diesen weiß man, daß sie alle etwa dieselbe Energie ausstoßen. Sie lassen sich daher als sogenannte „Standardkerzen“ mit definierter Leuchtkraft betrachten. Wenn man also in einer fernen Galaxie eine Ia-Supernova aufflackern sieht und mißt, wieviel davon auf der Erde ankommt, kann man sofort die Entfernung berechnen. Und dank der Helligkeit solcher Ereignisse funktioniert das selbst noch bei Galaxien am Rand des sichtbaren Universums. Angesichts der Tragweite von Messungen wie jener, die der „Dunklen Energie“ auf die Spur kamen, möchte man es aber genauer wissen. Denn ganz perfekt sind diese Standardkerzen nicht - und über die Unterschiede zwischen den Ia-Supernovae wüßte man gerne mehr.

Sternexplosion ohne Supernova

Zu Beginn zünden Fusionsreaktionen von Kohlenstoffkernen ...

Seit den sechziger Jahren ist klar, daß der Mechanismus hinter den Supernovae vom Typ Ia ein völlig anderer sein muß als hinter jenen, die das Dasein massiver Sterne beenden (siehe Supernovae: Vom Ende der Giganten). Hier explodiert kein Sternriese, sondern, im Gegenteil, ein weißer Zwerg, also eine verglimmende Sternleiche, zu der auch unsere Sonne einst werden wird. Die aber wird nie zu einer Supernova, denn erstens wäre ihr Zwergenrest zu klein, und zweitens ist sie allein.

Zu Ia-Explosionen kommt es nur in weißen Zwergen, deren Masse erstens knapp unter dem Wert liegt, bei dem in seinem Zentrum Kernfusionsreaktionen zünden würden. Zudem müssen sie so eng mit einem zweiten noch intakten Stern um einen gemeinsamen Schwerpunkt kreisen, daß Materie von dem Stern kontinuierlich auf den Weißen Zwerg fallen kann. Hat der Materieregen dessen Masse über den kritischen Wert erhöht, setzen die Fusionsreaktionen ein. Doch da auf dem Zwerg keine mächtige Sternhülle lastet, laufen sie nicht, wie in intakten Sternen, als gemächliches Brennen ab, sondern explosionsartig wie bei einer Wasserstoffbombe. Dabei wird der Stern vollständig zerstört, ohne daß, wie bei den anderen Supernovae-Typen, ein kompakter Rest zurückbleibt.

„Das Zauberwort heißt Turbulenz“

Soweit das Prinzip, doch auch hier steckt der Teufel im Detail. So kann man sich etwa nicht so recht erklären, warum sich in den Spektren der diffusen Trümmerwolken von Ia-Supernovae so starke Spektrallinien mittelschwerer Elemente wie Silizium, Schwefel oder Calzium finden. Bei einer echten Detonation würde der Stern von einer überschallschnellen Stoßfront zerrissen, die sein Material dabei kurzzeitig so zusammenquetscht, daß es fast vollständig zu Eisen und Nickel verbrennt. Die Beobachtungen sprechen aber eher für die Verbrennung des Sterns in einer sich langsamer ausbreitenden Flammfront, einer sogenannten Deflagration. Die aber dürfte den Stern eigentlich nicht zur Explosion bringen.

Die Lösung liegt nach Ansicht von Wolfgang Hillebrandt vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching auch hier wieder in einer massiven Abweichung von der Kugelschalensymmetrie. „Das Zauberwort heißt Turbulenz“, sagt Hillebrandt. „Wie bei der Verbrennung im Zylinder eines Automotors ist die Flammfront turbulent verwirbelt. Das vergrößert ihre Oberfläche und damit die Rate, mit der der Brennstoff zu Asche wird.“ Dadurch kommt es auch ohne Detonationsfront zu einer Explosion, die den Stern zerreißt.

Experimentell abgesicherte Modelle

Die Computerprogramme, die Hillebrandt und seine Mitarbeiter zur Simulation dieses Prozesses entwickelt haben (und mit denen auch obige Bildserie erstellt wurde), entstanden in Zusammenarbeit mit Forschern der RWTH Aachen, die sich für technische Verbrennungsprozesse interessieren. „Unsere Modelle sind auch experimentell abgesichert“, erklärt Hillebrandt. Mit den gleichen Computerprogrammen, mit denen er seine Weißen Zwerge explodieren läßt, wurden Versuche nachgerechnet, die man in Rußland zur Untersuchung der Knallgasexplosion während der Tschernobyl-Katastrophe angestellt hatte: „Dort hat man in einem langen Graben ein Wasserstoff-Luft-Gemisch entzündet, das eigentlich zu mager war, um zu explodieren“, erzählt er. Nachdem man in dem Kanal Hindernisse aufgestellt hatte, die für turbulente Verwirbelungen sorgten, explodierte die Mischung trotzdem - ganz so, wie es auch die Computersimulationen ergaben.

... und breiten sich als turbulente Flammfront (blau) durch den Stern aus.

In dem - ungleich komplexeren - Fall der Typ-Ia-Supernovae ist man noch nicht ganz soweit. Insbesondere sind die beobachteten Unterschiede zwischen verschiedenen Ia-Supernovae noch nicht völlig verstanden. Daß Simulationen wie die von Wolfgang Hillebrandt die Revolution unsere Weltbildes durch die „Dunkle Energie“ noch einmal rückgängig machen könnten, erwartet gegenwärtig zwar niemand. Aber sicher gehen möchte man trotzdem.

Text: UvR / Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung, 14.08.2005
Bildmaterial: Friedrich Röpke, MPA

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