SUPERNOVAE
Sternexplosion im Computer
Redaktion / Pressemitteilung der Max-Planck-Gesellschaft 
astronews.com
10. Mai 2010

Ein Stern stirbt in 3D - aber nicht im Weltall, sondern am Computerbildschirm: Zum ersten Mal ist es gelungen, mit komplexen Berechnungen den Tod einer Sonne in allen drei Raumdimensionen nachzustellen. Die Simulationen umfassen lückenlos den Zeitraum vom Beginn der Explosion bis zum Ausbruch der Explosionswelle aus der Sternoberfläche mehrere Stunden später. Zu erkennen ist dabei unter anderem, wie bei Supernovae Asymmetrien entstehen können.

Standbild der dreidimensionalen Simulation, etwa 0,5 Sekunden nachdem die Explosion im Innern des Kerns gezündet wurde. Die schwach bläulich dargestellte Stoßfront hat einen Radius von etwa 1900 Kilometern. Bild: MPE  [Großansicht]  Der Stern stirbt in 3D: Diese Standbilder zeigen jeweils aus zwei unterschiedlichen Blickwinkeln, wie weit bestimmte Elemente in der Explosion nach außen transportiert werden. Die oberen beiden Bilder stellen die Situation nach 350 Sekunden dar, die unteren beiden Bilder nach etwa 9000 Sekunden, kurz nachdem die Stoßwelle die Sternoberfläche durchbrochen hat. Die farbigen Oberflächen entsprechen dabei den am weitesten außen liegenden Orten, an denen Kohlenstoff (grün), Sauerstoff (rot) und Nickel (blau) mit einer bestimmten Häufigkeit vorliegen. Bild: MPE  [Großansicht]

Massereiche Sterne beenden ihr Leben in gigantischen Explosionen. Diese Supernovae leuchten dabei für kurze Zeit heller als eine ganze Galaxie aus Milliarden von Sonnen. Die physikalischen Prozesse im Innern der sterbenden Sterne sind sehr kompliziert. Obwohl Astrophysiker die Supernovae schon seit Jahrzehnten mit Computermodellen erforschen, konnten sie bisher nur einen Teil dieser Vorgänge nachstellen - und das auch nur in ein oder zwei Dimensionen.

Vor gut zwei Jahrzehnten zeigte sich eine Supernova dem bloßem Auge: SN 1987A innerhalb der Großen Magellanschen Wolke, einer Nachbargalaxie der Milchstraße. Wegen der - angesichts astronomischer Dimensionen - vergleichsweise geringen Entfernung von 170.000 Lichtjahren sammelten die Astronomen über Monate hinweg detaillierte Daten in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen. Die Forscher fanden heraus, dass es sich bei SN 1987A um eine sogenannte Kernkollaps-Supernova handelt.

Eine solche Supernova entsteht, wenn ein einzelner massereicher Stern, der mindestens neunmal schwerer ist als die Sonne, am Ende seines Lebens fast sein gesamtes Brennmaterial verbraucht hat. Der Fusionsmotor im Innern des Sterns beginnt zu stottern, was einen Kollaps des Zentrums (Kerns) und damit eine gewaltige Explosion des gesamten Sterns auslöst. Im Fall von SN 1987A hatte der Vorläuferstern bei seiner Geburt etwa die 20-fache Masse unserer Sonne.

SN 1987A ist wahrscheinlich die am besten erforschte Supernova. Einer der erstaunlichen und unerwarteten Befunde war die Tatsache, dass Nickel und Eisen - schwere Elemente, die nahe dem Zentrum der Explosion entstanden - in großen Klumpen nach außen transportiert wurden, wo sie sich mit der Wasserstoffhülle des zerstörten Sterns vermischten. Diese Nickel-Geschosse breiteten sich mit Geschwindigkeiten von Tausenden Kilometern in der Sekunde aus. Das ist viel schneller als der umgebende Wasserstoff und viel schneller als von einfachen hydrodynamischen Berechnungen in nur einer Dimension (1D) vorhergesagt.

In der Tat lässt sich die Helligkeitsentwicklung von SN 1987A und ähnlichen Kernkollaps-Supernovae nur verstehen, wenn man annimmt, dass große Mengen des schweren Kernmaterials (insbesondere radioaktives Nickel) nach außen transportiert und mit der Sternhülle vermischt werden, wohingegen leichte Elemente (Wasserstoff und Helium aus der Hülle) nach innen zum Kern wandern.

Modelle, welche die beobachtete Strahlung erklären sollen, müssen also beschreiben, was in dem sterbenden Stern passiert. Ein schwieriges Unterfangen, nicht nur wegen der Komplexität der physikalischen Prozesse und der Dauer der Explosion. Ein Problem stellen auch die sehr unterschiedlichen Größenskalen dar, die von einigen Hundert Metern nahe dem Zentrum bis zu vielen Millionen Kilometern nahe der Sternoberfläche reichen.

Bisherige Simulationen in zwei Dimensionen zeigten zwar, dass die kugelförmige Schalenstruktur des Vorgängersterns bei der Supernovaexplosion zerstört wird und dass eine Vermischung auf großen Skalen stattfindet. Die reale Welt ist aber dreidimensional. Und nicht alle beobachteten Aspekte ließen sich mit den 2D-Modellen reproduzieren.

Die neuen Computermodelle des Teams am Max-Planck-Institut für Astrophysik simulieren nun zum ersten Mal den vollständigen Ausbruch in allen drei Dimensionen - von den ersten Tausendstel Sekunden nach dem Auslösen der Explosion im Kern bis zu dem Zeitpunkt drei Stunden später, wenn die Stoßwelle aus dem Vorläuferstern hervorbricht.

"Wir fanden in unseren 3D-Modellen erhebliche Abweichungen im Vergleich zu vorherigen 2D-Studien", sagt Nicolay Hammer, Erstautor des Artikels. "Insbesondere das Wachstum von Instabilitäten und die Ausbreitung der Klumpen ist anders." Die Abweichungen seien keineswegs zu vernachlässigen; immerhin lege dieser Effekt die langfristige Entwicklung und letztlich das Ausmaß der Vermischung und das beobachtbare Aussehen der Kernkollaps-Supernova fest.

In den 3D-Simulationen haben die metallreichen Klumpen deutlich höhere Geschwindigkeiten als bei 2D-Modellen. Die Geschosse breiten sich viel schneller aus und überholen Material aus den äußeren Schichten. "Mit einem einfachen analytischen Modell konnten wir zeigen, dass die unterschiedliche Geometrie der Geschosse, ringförmig gegenüber quasi kugelförmig, die in unseren Simulationen beobachteten Unterschiede erklären kann", sagt Mitautor Thomas Janka. "Wir glauben zwar, dass die Unterschiede zwischen den 2D- und 3D-Modellen allgemeingültig sind, viele Merkmale werden aber stark von der Struktur des Vorläufersterns, der Gesamtenergie und der anfänglichen Asymmetrie der Explosion abhängen."

In zukünftigen Simulationen werden die Wissenschaftler deshalb eine größere Bandbreite an Vorläufersternen und Anfangsbedingungen untersuchen. Insbesondere bleibt die Herausforderung bestehen, ein Modell zu finden, dass alle beobachteten Charakteristika von SN 1987A erklärt. "Wir hoffen, durch unsere Rechnungen im Vergleich mit Beobachtungen herauszufinden, wie die Sternexplosion beginnt und was sie auslöst", sagt der dritte Autor, Ewald Müller. 

Die Wissenschaftler berichten über ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Astrophysical Journal.