Supernova-Theorie auf dem Prüfstand

Die Kombination von Beobachtungen eines neu entdeckten Doppelstern­systems mit hoch­entwickelten Modellen für den Kollaps von Sternen liefert wichtige Erkenntnisse über die Entstehung schwarzer Löcher mit stellarer Masse. Ein inter­nationales Team des Max-Planck-Instituts für Astrophysik und des Niels-Bohr-Instituts der Universität Kopenhagen kommt zu dem Schluss, dass masse­reiche schwarze Löcher auch ohne eine helle Supernova-Explosion entstehen können. Die Energie des Kollapses wird hauptsächlich durch leichte Neutrinos mit nur geringer Asymmetrie abgestrahlt, was zu einem kleinen Rückstoß für das neu geborene schwarze Loch führt.

Seit Jahrzehnten weiß man, dass es in unserer Milchstraße Doppelstern­systeme gibt, bei denen einer der beiden Sterne ein schwarzes Loch ist. „Die Entdeckung des Doppelsternsystems VFTS 243 in unserer Nachbargalaxie, der Großen Magellanschen Wolke, war außergewöhnlich, und das System selbst ist bemerkenswert", sagt Alejandro Vigna-Gómez, der zum Zeitpunkt der Entdeckung von VFTS 243 als Postdoktorand am Niels-Bohr-Institut (NBI) tätig war und jetzt am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) arbeitet. Das Doppelstern­system besteht aus einem Stern mit der 25-fachen Masse der Sonne und einem begleitenden schwarzen Loch mit der zehnfachen Masse der Sonne.

Sterne, die um ein Vielfaches massereicher sind als die Sonne, beenden ihr Leben in gewaltigen und leucht­starken Supernovae. Beim Kollaps des dichten metallischen Kerns des massereichen Sterns wird eine große Menge Energie freigesetzt, die hauptsächlich in Form von Neutrinos entweicht, während die äußeren Schichten des Sterns ins Weltall geschleudert werden. Dieses Material kann ein Vielfaches der Masse der Sonne betragen und wird mit Geschwindig­keiten von Hunderten bis Tausenden von Kilometern pro Sekunde ausgestoßen. Dies führt zu großskaligen Asymmetrien der aus­gestoßenen Materie, die wir auch in den Überresten der Supernova-Explosionen beobachten.

Diese Asymmetrien und Auswürfe von Materie wirken sich direkt auf den sehr dichten Überrest im Kern aus: der neu entstandene Neutronen­stern erfährt einen Rückstoß – einen Geburtskick – der seine Geschwindigkeit abrupt ändern kann. Für Neutronen­sterne gibt es zahlreiche Belege für solche Kicks, da wir ihre Bewegung mit hohen Geschwindigkeiten in der gesamten Milchstraße beobachten. Bei den massereichsten kompakten Objekten, den schwarzen Löchern, sind diese Geburtskicks jedoch nicht gut verstanden. Solche stellaren schwarzen Löcher entstehen beim Kollaps massereicher Sterne, insbesondere wenn keine Explosion zustande kommt und die einfallende Materie in sich kollabiert. 

Die jüngste Entdeckung „verschwindender“ Sterne lässt vermuten, dass ein großer Teil der kolla­bierenden massereichen Sterne stattdessen schwarze Löcher ohne begleitende Explosion bildet, die wir im Gegensatz zu den hellen Supernovae nicht beobachten können. Es ist jedoch unklar, wie viel Masse diese Sterne bei der Entstehung von schwarzen Löchern verlieren, oder wie groß ihre ursprünglichen Kicks sind. Wenn der massereiche Stern direkt zu einem schwarzen Loch kollabiert, wird keine baryonische Materie heraus­geschleudert, und die Energie geht überwiegend in Form von Neutrinos verloren. „VFTS 243 hat es uns ermöglicht, dieses Szenario zu testen“, sagt Vigna-Gómez.

Das Team untersuchte das vollständige Kollaps-Szenario für das Doppelsternsystem VFTS 243, bei dem ein Stern, zehnmal massereicher als die Sonne, seinen Lebenszyklus durch eine Implosion beendete. Mit modernsten Modellen des Sternkollapses, die am MPA entwickelt wurden, berechneten sie die Auswirkungen auf die Umlaufbahn eines Doppelstern­systems während der Entstehung des schwarzen Lochs. Im Szenario des vollständigen Kollapses wird die enorme gravitative Bindungs­energie, die bei der Entstehung des schwarzen Lochs freigesetzt wird, ausschließlich von den schwach wechsel­wirkenden, neutralen und leichten Neutrinos fortgetragen.

„Die Untersuchung der physikalischen Prozesse, die im tiefsten Inneren kollabierender Sterne ablaufen, ist extrem schwierig und nur unter besonderen Umständen möglich“, sagt H.-Thomas Janka, Supernova-Theoretiker am MPA. „Das im Doppelstern­system VFTS 243 beobachtete schwarze Loch ist ein solcher Spezial­fall“, ergänzt Daniel Kresse, Postdoktorand in Jankas Gruppe. „Es erlaubte uns zum ersten Mal die Schluss­folgerung, dass Neutrinos nahezu gleichmäßig in alle Richtungen emittiert werden, wenn der massereiche Vorläufer kollabiert und das schwarze Loch entsteht.“

„Unsere Studie ist ein Paradebeispiel für die Synergie zwischen Theorie und Beobachtungen“, schließt Vigna Gómez. „Durch die Kombination hochentwickelter numerischer Modelle des Stern­kollapses mit den grundlegenden Effekten von Supernovae in Doppelstern­systemen konnten wir entscheidende Einblicke gewinnen, wenn Sterne vollständig kollabieren, und insbesondere nachweisen, dass massereiche schwarze Löcher auch ohne Explosion entstehen können.“

MPA / JOL