Wie beobachtet man den Tod eines Sterns?

Im Film „Die wandernde Erde“ ist die Sonne kurz davor, sich in einen roten Riesen zu verwandeln und die Erde zu versenken. Wussten Sie? Dies ist tatsächlich die Phase, die die Sonne in ihren späteren Jahren durchlaufen wird. Was also wird passieren, wenn die Sonne das Ende ihres langen Lebens erreicht? Hallo zusammen, mein Name ist Han Wenbiao. Heute werde ich mit Ihnen über den Tod von Sternen und die Art und Weise sprechen, wie Wissenschaftler ihn beobachten.

Unser nächster Stern, die Sonne, ist 4,6 Milliarden Jahre alt. Seine Lebensdauer beträgt etwa 11 Milliarden Jahre und er befindet sich derzeit in seiner Blütezeit. In mehr als 5 Milliarden Jahren wird die Sonne den Wasserstoffbrennstoff in ihrem Kern aufgebraucht haben und zu einem roten Riesen werden. Auch der in „Die wandernde Erde“ beschriebene Heliumblitz kann in seinem Kern auftreten. Die sterbende Sonne wird immer größer und dehnt sich bis zur Umlaufbahn der Erde aus. Nach Hunderten von Millionen Jahren oder sogar noch länger wird die äußere Hülle aufgelöst und zu einem wunderschönen planetarischen Nebel, während der Kern einen dichten weißen Zwerg hinterlässt.

Nachdem wir über die Sonne gesprochen haben, ist jeder bestimmt neugierig auf den Tod anderer Sterne im Universum. Im Allgemeinen bedeutet der Tod eines Sterns, dass der Stern kein stabiles Licht und keine stabile Wärme mehr abgibt und damit die Hauptreihenphase, also die Phase der Wasserstoff-Kernfusion, beendet ist. Ein Stern verbringt den Großteil seines Lebens in der Hauptreihenphase. Sobald sein Wasserstoffbrennstoff aufgebraucht ist, erreicht er das Ende seiner Lebensdauer. Allerdings ist das Wort Tod nicht besonders zutreffend. Ich bevorzuge den Begriff „Transformation“, um diesen Prozess zu beschreiben. Denn wenn ein Stern seine Hauptreihenphase beendet, beginnt für ihn tatsächlich ein neuer Lebenszyklus. Wenn also alle Sterne sterben, werden sie dann zuerst zu einem Roten Riesen und dann zu einem Weißen Zwerg wie die Sonne?

Eigentlich ist es das nicht. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass das, was beim Tod eines Sterns passiert, von seiner Masse abhängt. Handelt es sich um Rote Zwerge mit einer Masse von nur 0,08 bis 0,5 Sonnenmassen, kann ihre Lebensdauer bis zu 100 Milliarden Jahre betragen, was länger ist als das derzeitige Alter unseres Universums. Daher haben wir den Tod solcher Sterne bisher nicht beobachtet. Sterne, die massereicher als Rote Zwerge, aber weniger als die achtfache Masse der Sonne (einschließlich der Sonne) sind, werden wie oben beschrieben enden. Sie werden zunächst zu riesigen Roten Riesen und wenn sich ihre äußeren Schichten auflösen, bleibt im Zentrum ein dichter Weißer Zwerg zurück.

Was die Menschen vielleicht mehr interessiert, ist der Sterbeprozess massereicherer Sterne, da dieser von einer extrem heftigen Explosion begleitet wird – einer Supernova-Explosion. Die durch den Ausbruch erzeugte elektromagnetische Strahlung reicht oft aus, um die gesamte Galaxie, in der er auftritt, zu erleuchten, und kann Wochen, Monate oder sogar Jahre andauern, bevor sie allmählich abklingt. Während dieser Zeitspanne kann die von einer Supernova freigesetzte Strahlungsenergie mit der gesamten von der Sonne während ihrer Lebenszeit abgestrahlten Energie vergleichbar sein. So beobachteten und dokumentierten die alten Chinesen bereits im Jahr 185 n. Chr. während der Östlichen Han-Dynastie eine Supernova-Explosion, die acht Monate lang den Nachthimmel erhellte.

Durch die Explosion kann ein Stern den größten Teil oder sogar fast seine gesamte Materie mit einer Geschwindigkeit von fast einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit nach außen schleudern und Stoßwellen an die umgebende interstellare Materie ausstrahlen. Diese Stoßwelle verursacht eine schalenartige Struktur aus expandierendem Gas und Staub, die als Supernova-Überrest bezeichnet wird. Gleichzeitig kann der Kern einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch bilden und weiter existieren. Warum kommt es also zu Supernovas, wenn massereiche Sterne sterben?

Dies liegt daran, dass die größere Masse zu höheren Temperaturen und Drücken im Kern führt, was wiederum zu einem außer Kontrolle geratenen Ereignis führt. Wenn ein massereicher Stern die Wasserstoffverbrennung beendet hat, wird der zentrale Kern zu einem Heliumkern. Unter dem Einfluss der Schwerkraft schrumpft der Heliumkern und die Temperatur steigt. Bei einer Temperatur von 100 bis 200 Millionen Grad verbrennt das Helium zu Kohlenstoff, Sauerstoff und Neon und setzt Energie frei. Nach Abschluss der Verbrennung besteht der zentrale Kern hauptsächlich aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Wenn die Temperatur der Kohlenstoff-Sauerstoff-Kernkontraktion auf 500 Millionen bis 1 Milliarde Grad ansteigt, findet eine Kohlenstoffverbrennung statt, bei der Sauerstoff, Neon und Magnesium entstehen und Energie freigesetzt wird. Nach dem Ende ist der zentrale Kern ein Sauerstoff-Neon-Magnesium-Kern. Während sich der Kern weiter zusammenzieht und die Temperatur weiter auf 1,2 Milliarden Grad ansteigt, kommt es zur Sauerstoffverbrennung. Wenn die Temperatur 2 bis 3 Milliarden Grad erreicht, kommt es zur Siliziumverbrennung, das Produkt ist Eisen und Energie wird freigesetzt. Wenn der Eisenkern schrumpft und die Temperatur auf 5 Milliarden Grad ansteigt, reagiert der Eisenkern mit Gammaphotonen, aber bei dieser Reaktion wird keine Energie freigesetzt, sondern stattdessen Energie absorbiert. Diese Energie kann nur durch das Einfangen einer großen Zahl von Elektronen bereitgestellt werden, was wiederum dazu führt, dass der Elektronendruck stark abfällt. Der Eisenkern kollabiert heftig, wodurch enorme Energie freigesetzt wird und die äußere Schicht des Sterns explodiert. Dies ist die fulminante Supernova-Explosion. Wie ich bereits sagte, bedeutet diese Explosion nicht wirklich den Tod, da die Explosion höchstwahrscheinlich einen Neutronenstern oder ein schwarzes Loch hinterlassen wird. Wichtig ist, dass Supernova-Explosionen große Mengen schwerer Elemente erzeugen, die sich im gesamten Universum verteilen und zu unverzichtbaren Bestandteilen der Fülle und Vielfalt des Universums, einschließlich unseres Lebens, werden. Wie das Sprichwort sagt: Wenn ein Stern explodiert, erwacht alles zum Leben.

Heutige Astronomen verwenden modernste astronomische Geräte wie das hochgelegene kosmische Observatorium Lasso und Gravitationswellendetektoren, um Supernova-Explosionen zu beobachten und dieses brillante kosmische Feuerwerk zu verstehen. Im Dezember 2023 führte ein Forschungsteam unter der Leitung der Tsinghua-Universität auf der Grundlage früher Warnsignale umgehend mit Teleskopen auf der ganzen Welt sehr detaillierte Beobachtungen und Untersuchungen einer Supernova-Explosion durch, die sich am 19. Mai 2023 50 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ereignete. Dabei gewann es Informationen über Lichtveränderungen und Spektren vor und nach der Explosion. Besonders interessant ist, dass sie zum ersten Mal den Prozess der Veränderung der Stoßwelle von Rot nach Blau entdeckten und damit den bisher unentdeckten Stoßwellenprozess von Supernova-Explosionen enthüllten. Bei dieser Forschung kamen nicht nur professionelle astronomische Beobachtungsgeräte zum Einsatz, sondern es wurden auch die Ergebnisse von Amateurbeobachtungen von Astronomie-Enthusiasten genutzt. Daher befinden sich unter den Autoren dieses Nature-Artikels mehrere Astronomie-Enthusiasten. Dies zeigt, dass die astronomische Forschung eine Wissenschaft ist, an der die breite Öffentlichkeit in großem Umfang teilhaben kann. Wissenschaftler und Astronomie-Enthusiasten arbeiten zusammen, um astronomische Multi-Messenger-Beobachtungen von elektromagnetischen Wellen, Neutrinos, hochenergetischen kosmischen Strahlen und Gravitationswellen zu kombinieren und so weitere Geheimnisse hinter diesem kosmischen Wunder zu enthüllen.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Han Wenbiao, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Gutachter: Gou Lijun, Forscher am Nationalen Astronomischen Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.