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Supernovae : Simulierte Sternexplosion in drei Dimensionen

  • -Aktualisiert am

Die Stoßfront der simulierten Supernova eine halbe Sekunde nach der Explosion - mit einem Durchmesser von 3800 Kilometern Bild: MPA

Jeder Stern hat sein Ende: Forscher haben nun eine Supernova-Explosion in einer dreidimensionalen Simulation dargestellt und dabei bislang unbekannte Details entdeckt.

          Auch Sterne besitzen kein ewiges Leben. Zwar sprengt ihre Lebenserwartung alle menschliche Vorstellungskraft, aber am Ende sind selbst die Energievorräte eines noch so massereichen Sterns ausgeschöpft. Dann kommen die Kernumwandlungsprozesse im Innern zum Erliegen, und die zuvor sonnenähnlich leuchtende Gaskugel gerät aus dem zeitlebens mühsam aufrechterhaltenen Gleichgewichtszustand. Besonders massereiche Sterne stürzen dann unter ihrer gewaltigen Eigenanziehung kollapsartig in sich zusammen und setzen dabei kurzzeitig noch einmal soviel Energie frei, dass sie vorübergehend heller leuchten als eine ganze Galaxie. Dabei spielen sich im Detail Prozesse ab, die sich bislang nicht untersuchen ließen. Mit einer neuen Simulation hat sich das jetzt zumindest zum Teil geändert.

          Lange Zeit hindurch hatten sich die Astronomen bei der Erforschung solcher Supernova-Explosionen auf die Sammlung grober Daten beschränken müssen, etwa zum Helligkeitsverlauf oder zur spektroskopischen Bestimmung der bei der Explosion freigesetzten chemischen Elemente. Da die Ereignisse meist in weit entfernten Galaxien stattfinden und die Aufmerksamkeit der Forscher deshalb oft erst spät und eher zufällig geweckt wird, sind aufschlussreiche detaillierte Beobachtungen der frühen Entwicklungsphasen kaum möglich gewesen. Dieser Mangel stand in krassem Gegensatz zur Bedeutung, die Supernova-Ereignisse für die Geschichte des Kosmos insgesamt, aber auch für unsere ureigenste Existenz besitzen - schließlich besteht unsere Umwelt, bestehen wir selbst zum überwiegenden Teil aus Atomen, die erst im Innern massereicher Sternen erbrütet und durch Supernova-Explosionen für die weitere Verwendung freigesetzt wurden.

          Simulierte Abläufe der Supernova-Explosion

          Einen gewaltigen Schub hat die Supernova-Forschung in der Nacht zum 24. Februar 1987 bekommen. Damals leuchtete in der Großen Magellanschen Wolke, einer kleinen Nachbargalaxie der Milchstraße rund 170000 Lichtjahre von uns entfernt und damit gleichsam vor unserer kosmischen Haustür, ein explodierender Stern so hell auf, dass er vorübergehend sogar mit bloßem Auge zu erkennen war. Schon wenige Stunden später konnten die ersten Teleskope auf der Südhalbkugel der Erde auf das fortan als SN 1987A bezeichnete Objekt gerichtet und detailreiche Messungen vorgenommen werden.

          Die während der folgenden Wochen und Monate zusammengetragenen Daten machten deutlich, dass die Abläufe einer Supernova wesentlich komplexer sein müssen als bis dahin angenommen. Davon zeugten zum Teil recht klumpig erscheinende Materiekonzentrationen, die noch dazu mit unerwartet hoher Geschwindigkeit tief aus dem Innern des zerstörten Sterns ausgestoßen wurden. Die Forscher fanden bald heraus, dass es sich dabei um die Folgen sogenannter Rayleigh-Taylor-Instabilitäten handeln musste. Darunter sind vertikale Turbulenzströmungen an der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlich dichten Gas- oder Flüssigkeitsschichten. Sie treten unter anderem auf, wenn das leichtere Material in die dichtere Materie hinein beschleunigt wird. Solche Instabilitäten entwickeln sich rasch zu fingerähnlichen Auswüchsen mit pilzförmigen Köpfen, die über große Entfernungen als beschleunigte Materieklumpen erscheinen können.

          Forschern vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching ist es nun zum ersten Mal gelungen, die Abläufe während der Supernova-Explosion eines massereichen Sterns in einer Simulation nachzustellen. Mit den bislang üblichen, bestenfalls zweidimensionalen Simulationsmodellen war das nicht zuletzt wegen der Instabilitäten unmöglich gewesen. Wie die Forscher im „Astrophysical Journal“ (Bd. 714, S. 1371ff) berichten, konnten sie durch die Einbeziehung auch der dritten Raumdimension in ihre Modellrechnungen vor allem die bei der Supernova SN 1987A beobachteten hohen Geschwindigkeiten der Materieklumpen aus dem Sterninnern und deren weitere Entwicklung simulieren. Die Rechnungen zeigen im Übrigen, dass zusätzliche Annahmen etwa über eine stark abgeplattete Form des kollabierenden Sternkerns für das Verständnis der Vorgänge nicht erforderlich sind. Mit solchen Zusatzannahmen hatte man bei den früheren zweidimensionalen Modellrechnungen versucht, die zu niedrig gebliebenen Geschwindigkeiten der Materieklumpen weiter zu vergrößern.

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