Wie Supernovae explodieren

Wie läuft die Explosion eines kollabierenden Sterns ab? Beobachtungen eines internationalen Astronomenteams liefern neue Indizien dafür, dass solche Supernova-Explosionen nicht sphärisch, sondern stark asymmetrisch verlaufen. Die jetzt in der Online-Ausgabe von „Science“ veröffentlichte Arbeit des Teams bietet einen Einblick in den Mechanismus, mit dem die Gravitationsenergie des zusammenbrechenden Sterns in die kinetische Energie der Explosion umgewandelt wird – und in den Ursprung der Materiestrahlen der energiereichen Gammastrahlungsausbrüche.

Wenn Sterne mit einer Masse von mehr als acht bis zehn Sonnenmassen ihren nuklearen Energievorrat aufgebraucht haben, kommt es bei ihnen zum Kernkollaps. Der Strahlungsdruck bietet der Schwerkraft nicht länger Paroli und der Kernbereich des Sterns stürzt – je nach Masse – zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch zusammen. Dabei kommt es zu einer Explosion, die den Rest des Sterns zerreist und seine Außenschichten ins Weltall hinaus schleudert.

Eine wichtige offene Frage ist dabei, wie bei einer solchen Kernkollaps-Supernova die Gravitationsenergie zu der nach außen gerichteten Bewegung der Explosion führen kann. Die meisten theoretischen Modelle des Vorgangs basieren auf einer asphärisch verlaufenden Explosion. „Eine genaue Untersuchung der Geometrie der Explosion könnte deshalb neue Erkenntnisse über die Vorgänge liefern“, schreiben Keeichi Maeda von der Universität Tokio und seine Kollegen, zu denen neben japanischen auch deutsche, italienische und amerikanische Forscher gehören.

Abb.: Bei einer Supernova-Explosion stößt der kollabierende Stern seine äußere Hülle asymmetrisch ab. An den Polen des Sterns bilden sich gebündelte Materiestrahlen – zielen diese auf die Erde, so registrieren wir einen Gammastrahlungsausbruch. (Quelle: NASA/Sonoma State University/A. Simonnet)

Beobachtungen mehrerer Supernovae hatten zwar in der Vergangenheit bereits Hinweise auf asymmetrische Explosionen geliefert, doch bislang gab es, so Maeda und Kollegen, keine systematische Untersuchung der Supernova-Geometrie. Die Astronomen haben deshalb insgesamt 18 Supernovae einer genauen spektroskopischen Analyse unterzogen.

Um einen Blick auf den inneren Bereich der Explosionszone zu erlangen, haben die Forscher dabei Spektren herangezogen, die mindestens 200 Tage nach dem Sternkollaps aufgenommen wurden. Denn erst dann hat sich das ausgestoßene Gas so weit verdünnt, dass Photonen aus allen Bereichen entkommen können ohne mit dem Gas in Wechselwirkung zu treten. „Solche späten Emissionsprofile spiegeln deshalb die Verteilung des emittierenden Gases in dem von der Supernova ausgestoßenen Material wider“, so die Astronomen.

Besonders effektiv ist diese Strategie bei einer Beschränkung auf Supernovae, die bereits vor der Explosion ihre Wasserstoffhülle abgestoßen haben. Bei allen 18 von Maeda und seinem Team untersuchten Supernovae handelt es sich deshalb um solche „stripped envelope“-Supernovae. In allen Fällen stießen die Astronomen auf Sauerstofflinien mit doppelten Maxima, „eine deutliche Signatur für asphärische Explosionen“.

„Alle Kernkollaps-Supernovae, die ihre Hülle verloren haben, besitzen also vermutlich einen gemeinsamen Explosionsmechanismus, der asphärisch ist“, folgern Maeda und Kollegen, „und dabei sind jene Supernovae, die Gammastrahlungsausbrüche erzeugen, vermutlich am stärksten asphärisch.“

Rainer Kayser

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  K. Maeda et al., Asphericity in Supernova Explosions from late-Time Spectroscopy, Science (Online-Veröffentlichung).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1149437
• Universität Tokio:
  http://www.u-tokyo.ac.jp/index_e.html

Weitere Literatur:

• A.V.Filippenko, Optical Spectra of Supernovae, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 35, 309 (1997).
• R. Buras et al., Two-dimensional hydrodynamic core-collapse supernova simulations with spectral neutrino transport, Astronomy and Astrophysics 447, 1049 (2006).
• Burrows et al., Features of the Acoustic Mechanism of Core-Collapse Supernova Explosions, Astrophys. J. 655, 416 (2007).