Die immer weiter fortgeschrittene Erforschung des Weltraums hat es uns ermöglicht, eine ganze Reihe von Phänomenen zu beobachten, die hier auf der Erde unmöglich zu reproduzieren wären. Phänomene, die manchmal spektakulär und manchmal zerstörerisch sind, einschließlich Supernovas. Der Begriff Supernova wurde erstmals 1931 von Walter Baade und Fritz Zwicky verwendet und bezeichnet die größte Explosion, die die Menschheit je gesehen hat.
Eines der katastrophalsten Ereignisse im Universum ist die Explosion eines massereichen Sterns in den letzten Momenten seines Lebens, bei der er sich selbst zerstört und enorme Energie freisetzt. In diesem Moment wird der Himmelskörper so hell, dass er heller leuchtet als eine ganze Galaxie. Das Licht, das der Stern bei der Explosion aussendet, dauert einige Monate und ist vergleichbar mit dem Licht, das unsere Sonne in einer Milliarde Jahren aussenden kann.
Nicht nur das, er erzeugt auch einige der exotischsten Objekte, die sogar Neutronensterne, Pulsare und schwarze Löcher begleiten.
All das natürlich bei sehr hohen Temperaturen, die schwindelerregende hundert Milliarden Kelvin erreichen können.
Was eine Supernova ist und wie sie entsteht
Einige würden sagen, dass eine Supernova das letzte Hurra eines sterbenden massiven Sterns ist. Es handelt sich dabei um Sterne mit großer Masse, mehr als 8 Sonnenmassen, unter bestimmten Bedingungen 10, und um eine energiereichere Sternexplosion als eine Nova. Supernovae sind sehr hell und verursachen eine Strahlungsemission, die zumindest kurzzeitig die einer ganzen Galaxie übertreffen kann.
In einem Zeitintervall, das in der Regel zwischen einigen Wochen und einigen Monaten schwankt, strahlt eine Supernova-Explosion zusätzlich zu ihrem großen "Knall" so viel Energie aus, wie die Sonne während ihrer gesamten Existenz voraussichtlich ausstrahlen wird. Er erreicht dann für etwa fünfzehn Sekunden eine Temperatur von einhundert Milliarden Kelvin, allerdings nur, wenn der Stern eine Masse hat, die mindestens neunmal so groß ist wie die unserer Sonne.
Sie werden also verstehen, dass wir vor einem Ende stehen, das viel tragischer und gleichzeitig ein wahres Naturschauspiel ist als das von kleinen Sternen. Es genügt zu sagen, dass bei dieser Art von Sternexplosion der größte Teil oder das gesamte Material, aus dem der Stern besteht, mit einer Geschwindigkeit von bis zu 30.000 Kilometern pro Sekunde ausgestoßen wird, was praktisch 10 % der Lichtgeschwindigkeit entspricht.
Während bei Sternen mit geringer Masse nur Kernreaktionen mit Wasserstoff und Helium und nur selten mit Kohlenstoff möglich sind, können massereichere Sterne während der Kompressionsperioden, die mit der Erschöpfung einer der Brennstoffformen einhergehen, Temperaturen erreichen, die hoch genug sind, um weitere Kernfusionen auszulösen.
Ein weiterer Unterschied zu kleineren Sternen besteht darin, dass größere Sterne die internen Elemente besser mischen können, so dass Wasserstoff in den Kern zurückfließen kann. Abgesehen von den technischen Aspekten erzeugt dieser Prozess immer noch Unmengen an Energie, und der Kern wird sehr heiß. Die Hitze ist so groß, dass sie einen starken Druck erzeugt, der in einem langen Tauziehen mit der Schwerkraft dazu führt, dass in den verschiedenen Schichten der Sternstruktur eine Vielzahl von Reaktionen gleichzeitig abläuft.
Während das Helium nach und nach zu immer schwereren Elementen fusioniert, eine Sequenz, die als Heliumeinfang bekannt ist, kollabiert der Kern weiter mit einer Temperatur, die auf 600 Millionen Grad Kelvin ansteigt: Das reicht aus, um die unvermeidliche Reaktion von Kohlenstoff in schwerere Elemente wie Sauerstoff, Neon, Natrium und Magnesium auszulösen.
Die Kohlenstofffusion selbst stellt eine völlig neue Energiequelle dar, die in der Lage ist, den "Kampf" zwischen Schwerkraft und Druck auszugleichen, der für diese extrem leuchtenden Überriesen mit großem Radius und geringer Dichte charakteristisch ist. Sobald die Kernfusion, die der Schwerkraft standhalten kann, abgeschlossen ist, implodiert der Stern, und die Masse ist zu groß, als dass der Sternkern ihr standhalten könnte.
Eine Supernovaexplosion entsteht, die, wie wir bereits gesagt haben, eines der gewaltigsten Ereignisse im inneren Universum ist. Um es noch einfacher zu machen: Wenn ein massereicher Stern verbrennt, kühlt er sich ab, wodurch der Druck sinkt. Die Schwerkraft siegt also und der Stern kollabiert plötzlich.
Supernova-Typen
Der Begriff "Supernova" leitet sich von dem Begriff "Nova" ab, der sich auf Sterne bezog, die an Orten am Himmel erschienen, an denen zuvor keine Spur von ihnen zu finden war, was auf die Geburt eines "neuen" Sterns hindeutet. Wegen der Helligkeit dieser Erscheinungen wurde das Wort "Supernova" hervorgehoben, auch wenn wir wissen, dass es sich eigentlich um einen sterbenden Stern handelt. Bisher haben die Astronomen beobachtet, dass es zwei Arten von Supernovae gibt, die sich im Mechanismus der Explosion und in der Art der Sterne, von denen die Explosion ausgeht, unterscheiden.
Typ-I-Supernovae gehen nicht von Einzelsternen aus, sondern von so genannten Doppelsternsystemen, d. h. solchen, die aus zwei benachbarten Sternen bestehen, die sich um ein gemeinsames Gravitationszentrum drehen. Bei den Doppelsternsystemen, die eine Supernova vom Typ I auslösen können, handelt es sich in der Regel um solche, die aus einem Weißen Zwerg aus Sauerstoff und Kohlenstoff und einem so genannten Begleitstern bestehen. Aufgrund des extrem hohen Drucks und der hohen Dichte befindet sich die Materie, aus der er besteht, in einem Zustand, den die Wissenschaftler als "entartet" bezeichnen.
Dieser Zustand ist nur dann stabil, wenn die Masse des betreffenden Sterns unter einem Schwellenwert liegt, der als "Chandrasekar-Masse" bezeichnet wird und das 1,4-fache der Masse der Sonne beträgt. Befindet sich der Weiße Zwerg in einem Doppelsternsystem, kann sein Gravitationsfeld so stark sein, dass es den nahen Begleitstern dazu bringt, seine Masse auf ihn zu übertragen. Dadurch beginnt der Zwerg exponentiell zu wachsen, bis er die Chandrasekar-Grenze überschreitet und sich zusammenzieht.
Die Kontraktion löst die uns bereits bekannten Kernreaktionen aus, und die freigesetzte Energie reicht aus, um den Stern vollständig explodieren zu lassen, der dann zerfällt und nichts als Staub im Weltraum zurücklässt.
Typ-II-Supernovae hingegen entstehen aus besonders massereichen Sternen, die in der Regel etwa die zehnfache Masse unserer Sonne haben. Sie sind relativ kurzlebig, nicht länger als 10 Millionen Jahre, und während ihrer Lebensdauer wechselt der Kernbrennstoff im Zentrum des Sterns zyklisch von einem Element zum anderen. Bei jeder "Umwandlung" zieht sich der Kern aufgrund der Schwerkraft zusammen und schafft es, die Temperatur soweit zu erhöhen, dass das neue chemische Element verbrennt. Da Eisen von Natur aus keine weitere Fusion zur Energiegewinnung zulässt, ist die Kontraktion des Kerns, wenn er einmal an der Reihe ist, unaufhaltsam und völlig unumkehrbar.
In nur wenigen Dutzend Sekunden schrumpft der Durchmesser des Kerns von etwa der Hälfte des Erdradius auf etwas mehr als 10 Kilometer, und die dabei entstehende Schockwelle breitet sich in etwa zwei Stunden durch die äußeren Schichten des Sterns aus. Wenn er die Oberfläche erreicht, explodiert der Stern. Das gesamte Material, aus dem der äußere Teil des Sterns besteht, wird mit einer Geschwindigkeit von etwa 15.000 Kilometern pro Sekunde in den Weltraum geschleudert, während der zurückbleibende Rest je nach Masse ein Neutronenstern, auch Pulsar genannt, oder ein Schwarzes Loch sein kann.
Die Bedeutung einer Sternexplosion
Obwohl ein zerstörerisches Phänomen, spielt die Supernova eine Schlüsselrolle in der Entwicklung des Universums, mit Auswirkungen, die auch hier auf der Erde zu spüren sind. Zunächst einmal hat sich diese donnernde Sternexplosion als der effizienteste und vollständigste Mechanismus für die chemische Anreicherung von Galaxien erwiesen. Nicht jeder weiß, dass die meisten Elemente, die wir heute in der Galaxis, auf der Erde und im Menschen finden, nicht bei der Geburt des Universums nach dem Urknall entstanden sind, sondern in den Sternen synthetisiert wurden, einschließlich des Sauerstoffs, den wir atmen!
Nach der Explosion von Supernovae wird das stellare Material, das reich an chemischen Elementen ist, in den Weltraum zurückgeworfen und reichert die Wolken aus interstellarem Gas und Staub an, aus denen später neue Sterne, Planeten und Galaxien entstehen. Darüber hinaus ermöglicht die Energie der Explosion die Umwandlung der bereits vorhandenen Elemente, wodurch alle Elemente des Periodensystems, die wir kennen, vervollständigt werden.
Die Explosion einer Supernova regt außerdem die Geburt neuer Sterne an, was zu einem positiven Kreislauf führt, der sich in möglichen neuen Lebensformen niederschlägt. Das liegt daran, dass sich die durch die Explosion erzeugte Schockwelle durch die interstellaren Gas- und Staubwolken ausbreitet und Dichteänderungen verursacht. Die Schwankungen lösen die Kontraktion des Gases und die anschließende Bildung eines neuen Sterns aus.
Der Kosmos hat also auch seinen eigenen, einzigartigen Lebenszyklus: Der Tod eines Sterns schafft die notwendigen Bedingungen für das Leben anderer. Es sollte daher nicht überraschen, dass Supernovae so intensiv erforscht werden. Leider können wir nicht wissen, wann und wo eine Supernova explodieren wird, aber Astrophysiker können sie entdecken, indem sie eine große Anzahl von Galaxien kontinuierlich beobachten. Es ist auch viel Geduld erforderlich, wenn man bedenkt, dass die Anzahl der galaktischen Supernova-Explosionen im Durchschnitt nur alle 30-50 Jahre eine ist.