3D-Simulation einer Supernova

Supernovae, Hypernovae, verschmelzende Sterne

Gewaltige Sternexplosionen, sogenannte Supernovae, setzen binnen Sekunden so viel Energie frei wie alle Sterne im Weltall zusammen. Solche Ereignisse geben Astronomen ungeahnte Einblicke in den Zustand von Materie bei den extremsten Bedingungen seit dem Urknall. 

Supernovae sind die gewaltigsten und hellsten Explosionen im Universum. Hervorgerugen werden sie durch den Kollaps eines Sterns. Gammastrahlenblitze (engl. Gamma Ray Bursts, kurz GRBs) sind noch energiereicher. Sie entstehen vermutlich, wenn besonders massereiche Sterne am Ende ihrer Entwicklung zu Schwarzen Löchern zusammenbrechen oder zwei Neutronensterne kollidieren. Wissenschaftler sind auf Computersimulationen angewiesen, um die Vorgänge im Zentrum von Sternexplosionen zu studieren und die dabei messbaren Signale vorherzusagen. Die numerische Berechnung von Supernovae und GRBs gehört dabei zu den aufwändigsten Simulationen, die gegenwärtig auf Supercomputern gemacht werden. Sie ermöglichen es, astronomische Beobachtungen zu interpretieren und zukünftige Signale von den Gravitationswellendetektoren zu analysieren.

Neutrinoblitze von explodierenden Sternen

Diagramm des Neutrinoflusses bei einer Sternexplosion. Der Neutrinofluss zeigt einen enormen Peak bei der Explosion.
Neutrinoemission bei der Explosion eines Sterns

Bei den gigantischen Sternexplosionenen tragen Neutrinos und Gravitationswellen den weitaus größten Teil der Energie davon. Zwei Dutzend Neutrinos, die am 23. Februar 1987 von drei Detektoren eingefangen wurden, kamen von einer Supernova in der Großen Magellanschen Wolke, einer 170.000 Lichtjahre entfernten Nachbargalaxie unserer Milchstraße. Stunden bevor die Stoßwelle der Explosion die auseinanderfliegenden Sterntrümmer hell aufleuchten ließ, war dort das Zentrum des sterbenden Riesensterns zu einem Neutronenstern kollabiert. Rund 1058 Neutrinos (eine Eins mit 58 Nullen) hatten die Bindungsenergie des Sternenüberrests mit nur zwanzig Kilometern Durchmesser und der Dichte von Atomkernmaterie abgestrahlt. Energie und Dauer des gemessenen Neutrinopulses entsprach den Erwartungen, die Zahl der nachgewiesenen Teilchen war jedoch viel zu gering, um Genaues über die Vorgänge im Sterninnern zu erfahren.

Die Prozesse, die zur Explosion eines massereichen Sterns führen, sind nach wie vor nicht gut verstanden. Computermodelle legen aber nahe, dass Neutrinos dabei die entscheidende Rolle spielen, denn wenige Prozent der Neutrinos, die der entstehende Neutronenstern in einem intensiven Blitz abstrahlt, werden in der Sternmaterie weiter außen wieder absorbiert. Dadurch verursacht der Neutrinostrom dort heftige Konvektion, bis schließlich eine Stoßwelle mit hoher Geschwindigkeit den Stern zersprengt.

Bislang funktioniert dieser „neutrinogetriebene Mechanismus“ in Computermodellen allerdings nur bei relativ kleinen Sternen, die durch ihre Gravitation relativ schwach gebunden sind. Oberhalb von etwa elffacher Sonnenmasse erscheint diese Neutrinoheizung zu schwach. Numerische Simulationen mit einer ausreichend genauen Beschreibung der Neutrinophysik können gegenwärtig jedoch nur unter vereinfachenden und einschränkenden Annahmen, beispielsweise mit axialer Symmetrie, durchgeführt werden. Dreidimensionale Modelle, die für eine zuverlässige Rekonstruktion notwendig wären, sind mit der Leistungsfähigkeit heutiger Supercomputer nicht möglich. Insbesondere beim Neutrinotransport stößt die Modellierung an algorithmische wie rechentechnische Grenzen.

Dreidimensionale Computersimulation einer Supernova. Die Bilder zeigen die durch Neutrinos verursachte Konvektion um den entstehenden Neutronenstern. Man sieht wolkenähnliche Gebilde, die sich von Schritt zu Schritt ändern.
Computersimulation einer Supernova

Ein spektral und zeitlich mit guter Auflösung aufgezeichnetes Neutrinosignal einer Supernova könnte der Theorie entscheidende Impulse verleihen. Denn aus den gemessenen Neutrinodaten lässt sich der vom Neutronenstern abgestrahlte Neutrinoblitz rekonstruieren. Dabei müssen Neutrinooszillationen, die auf dem Weg vom Innern der Supernova zum irdischen Detektor das Signal verändern, berücksichtigt werden. Charakteristische Eigenschaften der Neutrinoemission würden wichtige Hinweise auf die dynamischen Vorgänge und thermodynamischen Bedingungen im Zentrum der Sternexplosion liefern. In Galaxien wie unserer Milchstraße ereignen sich schätzungsweise zwei bis drei Supernovae pro Jahrhundert.

Hypernovae – Ende im Schwarzen Loch

Sterne mit mehr als etwa 25 Sonnenmassen brechen vermutlich nicht zu einem Neutronenstern, sondern einem Schwarzen Loch zusammen. Auch dabei kann es zu einer gigantischen Explosion kommen. Wenn der Stern zum Zeitpunkt seines Todes schnell rotiert, verschlingt das entstehende Schwarze Loch innerhalb von Sekunden oder Minuten in einem riesigen Strudel mehrere Sonnenmassen stellaren Gases und setzt gewaltige Energien frei. Die dadurch ausgelöste Hypernova ist mehr als zehnmal stärker als eine gewöhnliche Supernova und stößt entlang der Rotationsachse eng gebündelte Gasströme, sogenannte Jets, mit mehr als 99,995 Prozent der Lichtgeschwindigkeit aus. Beobachtungen liefern Hinweise, dass diese Jets die Quellen von GRBs sind. Hochenergetische Protonen, die in den Jets beschleunigt werden, erzeugen in einer Reihe von Teilchenreaktionen Neutrinos mit Energien im Giga- und Teraelektronenvolt-Bereich.

Schwarze Löcher entstehen auch, wenn zwei Neutronensterne oder ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch kollidieren. Die beiden umkreisten sich zuvor in einem engen Doppelsystem und strahlten Gravitationswellen ab. Dadurch verloren sie Energie und näherten sich einander an, bis sie miteinander verschmolzen. Auch in diesem Fall kann das Schwarze Loch zwei ultrarelativistische Jets aussenden. Jüngst beobachtete kurze Gammablitze, die nicht einmal zwei Sekunden dauerten, besitzen Eigenschaften, wie sie Modelle vorhersagen. Obwohl Kollisionen kompakter Doppelsterne sehr selten sind – sie ereignen sich ähnlich wie Hypernovae in unserer Milchstraße vermutlich alle hunderttausend Jahre nur einmal – zählen sie zu den interessantesten Quellen für Gravitationswellen. Sie erzeugen derart starke Störungen der Raumzeit, dass die nächste Generation von Detektoren sie bis in Hunderte von Millionen Lichtjahren Entfernung nachweisen wird.

Zusammenfassung und Ausblick

Computersimulation von zwei verschmelzenden Neutronensternen: zwei blaue annähernd kugelförmige Objekte nähern sich und verschmelzen Schritt für Schritt zu einer großen Wolke.
Computersimulation von verschmelzenden Neutronensternen

Neutrinos und Gravitationswellen aus explodierenden Sternen versprechen neue Einblicke in bislang verborgene Vorgänge bei der Entstehung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern. Bis solche Messungen Realität werden, bleibt den Theoretikern wertvolle Zeit, ihre Modelle und Vorhersagen weiter zu verfeinern. Nicht nur die Beschreibung der Neutrinophysik in dreidimensionalen Computersimulationen muss verbessert werden. Gegenwärtig werden auch große Anstrengungen unternommen, die Effekte der Relativitätstheorie mit höherer Genauigkeit zu berücksichtigen. Ein weiteres Ziel wird sein, die Bedeutung von Magnetfeldern bei Sternexplosionen intensiver zu untersuchen.