Erster Blick ins Herz eines explodierenden Sterns

Massereiche Sterne haben kurz vor ihrem Ende eine zwiebelartige Struktur– so die Theorie. Durch die Fusion immer schwererer Elemente sammeln sich außen leichtere Elemente, weiter innen schwerere bis zu einem Sternenkern aus massivem Eisen. Jetzt hat eine neuartige Supernova erstmals auch die innersten Schichten eines sterbenden Sterns enthüllt und diesen Schalenaufbau bestätigt. Im Lichtspektrum der rund 2,2 Milliarden Lichtjahre entfernten Explosion identifizierten Astronomen ein nie zuvor gesehenes Muster von Spektrallinien der Elemente Silizium, Schwefel und Argon. Dies legte nahe, dass bei diesem Stern die innersten Schichten freilagen, bevor er explodierte. Die SN 2021yfj getaufte Sternexplosion repräsentiert damit einen völlig neuen Typ der Supernova, den die Forschenden Typ1en getauft haben. Rätselhaft ist allerdings, warum dieser ferne Stern zwar seine gesamten äußeren Schichten verloren hat, aber dennoch einen Rest Helium behielt.

Die meiste Zeit ihres Lebenszyklus zehren Sternen von der Kernfusion von Wasserstoff und später Helium. Sie liefert ihnen die Energie für ihr Leuchten. Doch bei massereichen Sternen ist der Vorrat dieser Fusionsbrennstoffe schnell erschöpft. Sie beginnen dann, in ihrem Inneren auch die schwereren Produkte dieser Fusion zu verschmelzen. Im Laufe der Zeit bilden sich im Inneren eines solchen Sterns dadurch konzentrische Schalen aus nach innen hin immer schwereren Elementen – von Helium über Kohlenstoff, Sauerstoff, Neon und Magnesium bis zu Silizium und Schwefel. „Im letzten Schritt verschmelzen dann Silizium und Schwefel zu Eisen, dies führt zu einem Kollaps des Sternenkerns und entweder einer Supernova-Explosion oder der direkten Bildung eines Schwarzen Lochs“, erklären Steve Schulze von der Northwestern University in Illinois und seine Kollegen. Indizien für diesen Schalenaufbau liefern Supernovae von Sternen, die kurz vor der Explosion ihre äußeren Hüllen ausschleudern und bei denen die Helium- oder sogar die Kohlenstoff-Sauerstoff-Schichten freiliegen. „Doch bisher fehlten Belege für die innersten Schichten, die für die Produktion von Elementen schwerer als Sauerstoff verantwortlich sind“, so die Astronomen weiter.

Spektralsignatur selbst der innersten Schichten

Diesen Beleg hat das Team um Schulze jetzt gefunden. Ausgangspunkt war eine im September 2021 von der Zwicky Transient Facility (ZTF) in Kalifornien detektierte Supernova. Sie zeigte sich als extrem heller Lichtpunkt in einer rund 2,2 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie. 24 Stunden später gelang es Astronomen am Keck-Observatorium auf Hawaii, ein erstes Spektrum dieser Supernova einzufangen. „Wir erkannten fast sofort, dass dies etwas war, das wir noch nie zuvor gesehen hatten”, erzählt Schulze. Denn in diesem Spektrum zeigten sich zahlreiche Spektrallinien von ionisiertem Silizium, Schwefel und Argon, dafür fehlten die sonst für Supernovae typischen Signaturen von leichteren Elementen wie Wasserstoff und Stickstoff oder waren nur sehr schwach vertreten wie bei Helium und Kohlenstoff. Diese ungewöhnliche Signatur bestätigte sich auch, als Schulze und sein Team das Nachglühen dieser SN 2021yfj getauften Sternexplosion weitere 120 Tage lang beobachteten. „Dieser Stern muss den größten Teil des Materials verloren haben, das er im Laufe seines Lebens produziert hat“, erklärt Schulze. „Wir sehen hier nur die Elemente, die in den letzten Monaten vor der Explosion entstanden sind.“

Die Spektralsignaturen von SN 2021yfj legen nahe, dass von diesem Stern nur noch die innersten, schwersten Schichten übrig geblieben sind. „Das ist das erste Mal, dass wir einen Stern sehen, der buchstäblich bis auf die Knochen entblößt ist“, sagt der Astronom. „Dies verrät uns, wie Sterne aufgebaut sind – und es beweist erstmals, dass sie vor einer Explosion nicht nur ihre äußeren Schichten verlieren können, sondern auch weiter innen liegende Schalen.“ Gleichzeitig stellt diese Sternexplosion die Astronomen vor ein Rätsel. Denn ihr Verlauf und ihre spektralen Merkmale passen zu keinem bisher bekannten Supernova-Typ. „SN 2021yfj ist höchstwahrscheinlich der erste Vertreter einer zuvor unbekannten Supernovaklasse“, schreiben die Forschenden. Sie haben diese neue Klasse Typ1en getauft. Typ1 bezeichnet dabei Supernovae von Sternen, die ihren Vorrat an Wasserstoff verbraucht haben. Das „n“ kennzeichnet Vorläufersterne, die von einer dichten Hülle aus zirkumstellarem Material umgeben sind, wie Schulze und sein Team erklären. Wenn die Schockwelle der Supernova diese Hülle trifft, heizt sie das Material auf und dieses hinterlässt Linien im Spektrum. Der Buchstabe zwischen 1 und n beschreibt, woraus dieses Material besteht. b steht beispielsweise für Helium, c für Kohlenstoff/Sauerstoff. Die Benennung Typ1en klassifiziert die neuentdeckte Supernova damit als Sternexplosion, bei der der Stern von einer zirkumstellaren Hülle aus Silizium und Schwefel umgeben ist.

(Video: Keck Observatory/ Adam Makarenko)

Vorgeschichte der Supernova ist noch rätselhaft

Doch wie ist dieser bis in sein Inneres entblößte Stern zu erklären? „Es muss etwas sehr Dramatisches passiert“, sagt Schulze. Für ihre Studie haben die Astronomen verschiedenen Szenarien durchgespielt, allerdings keine eindeutige Erklärung gefunden. So gibt es zwar massereiche Sterne, die kurz vor ihrem Ende extreme Sternenwinde entwickeln und in einer Serie von Ausbrüchen ihre äußeren Schichten ausschleudern. „Aber das Entblößen bis hinunter auf die Sauerstoff/Silizium-Schale ist schwer zu erklären“, schreibt das Team. Am ehesten passen könnte ihrer Ansicht nach eine pulsierende Paar-Instabilität. Diese ereignet sich der Theorie zufolge bei sehr massereichen Sternen von 70 bis 140 Sonnenmassen. Wenn bei ihnen das Sauerstoffbrennen beginnt, entstehen durch den enormen Druck im Inneren Elektron-Positron-Paare – Elektronen und ihre Antiteilchen. Diese löschen sich gegenseitig aus und erzeugen damit wiederholte Energieschübe, die neue Phasen der Kernfusion auslösen und Teile des Sterns wegsprengen. „Die dadurch ausgelöste Interaktion zwischen den Schichten des zirkumstellaren Materials kann leuchtstarke Transiente produzieren, deren Eigenschaften qualitativ mit denen von SN 2021yfj übereinstimmen“, schreiben die Astronomen.

Allerdings passt ein Merkmal im Lichtspektrum der Supernova nicht ins Bild: Ein so stark dezimierter Stern dürfte eigentlich kein Helium mehr aufweisen. Doch im Spektrum von SN 2021yfj ist die spektrale Signatur des Heliums zwar schwach, aber eindeutig erkennbar. „Diese Detektion von Helium ist nicht ohne weiteres zu erklären“, erklären Schulze und seine Kollegen. „Im Moment können wir über den Ursprung dieser Heliumsignaturen nur spekulieren.“ Eine mögliche Erklärung wäre, dass der Stern einen unerkannten Begleiter hat, dessen heliumhaltiger Sternenwind die Supernova mit diesem Element kontaminiert hat. Denkbar wäre auch, dass das Innere des Sterns asymmetrisch aufgebaut ist und nur in einer Region am stellaren Äquator noch kleine Reste von heliumreichem Material übriggeblieben sind, wie die Astronomen erklären. Doch seien dies nur Szenarien. „Dieser Stern zeigt uns, dass unsere Ideen und Theorien zur stellaren Entwicklung zu eng gefasst sind“, sagt Seniorautor Steve Miller von der Northwestern University. „Unsere Lehrbücher sind zwar nicht falsch, aber sie erfassen offensichtlich nicht das gesamte Spektrum dieser Ereignisse. Es muss noch weitere, exotische Wege geben, durch die der Lebenszyklus eines massereichen Sterns endet.“ Umso wichtiger sei es, weitere dieser seltenen Supernovae aufzuspüren.

Quelle: Nature, doi: 10.1038/s41586-025-09375-3

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