Während Sterne wie unsere Sonne ihre Entwicklung recht unspektakulär als Weiße Zwerge beenden, erwartet massereichere Sterne ein weitaus spannenderes Schicksal: Sie enden als Neutronensterne oder gar als Schwarze Löcher. Doch bevor es soweit ist, explodieren sie als Supernova – und hier findet das eigentliche Spektakel statt: Für kurze Zeit können diese Sterne so hell leuchten wie ihre gesamte restliche Heimatgalaxie. Explodiert eine solche Supernova in der Milchstraße, könnte sie sogar hell genug aufleuchten, um mit bloßem Auge am Tageshimmel sichtbar zu sein.
Irgendwann wird es auch für den Stern Beteigeuze so weit sein: Bislang kennen und schätzen wir ihn als Schulterstern des prominenten Wintersternbilds Orion. Er ist einer der hellsten Sterne am gesamten Himmel. Beteigeuze ist schon kein „normaler“ Stern mehr, sondern ein Roter Überriese – ein Stern, der seine Entwicklung schon bald beenden wird und von dem sich Forschende sicher sind, dass er in den nächsten paar Millionen Jahren als Supernova explodieren wird.
Aber was wäre, wenn Beteigeuze am Ende seiner Entwicklung nicht explodieren würde – sondern einfach so, heimlich, still und leise, vom Himmel verschwinden würde? Wenn er also nicht erst als Supernova explodiert, sondern einfach direkt zu einem Schwarzen Loch kollabiert?
In dieser Folge erzählt Franzi von potenziell gescheiterten Supernovae. Bislang ist unklar, ob es solche „Un-Novae“ überhaupt gibt – Supernova-Explosionen, die aus irgendeinem Grund ausfallen. Es gibt einige Indizien, die dafür sprechen, dass es solche gescheiterten Supernovae geben könnte. Doch wie sucht man nach etwas, das sich dadurch auszeichnet, das es nicht stattfindet? Die Suche ist eine astronomische Fleißarbeit – doch kürzlich verkündeten Forscherinnen und Forscher, das ihnen genau das gelungen sei: In der Andromedagalaxie soll ein Himmelskörper mit der Bezeichnung M31-2024-DS1 direkt zum Schwarzen Loch kollabiert sein – ohne als Supernova zu explodieren.
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- Folge 43: Wann explodiert endlich die nächste Supernova?
- Folge 117: Sterneninseln auf Kollisionskurs: Wann trifft die Andromeda-Galaxie die Milchstraße?
- Folge 123: Weiße Zwerge – die Rettung vor dem Schwarzen Loch?
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Quellen
- Fachartikel: Gone without a bang: an archival HST survey for disappearing massive stars (2015)
- Fachartikel: The search for failed supernovae with the Large Binocular Telescope: first candidates (2015)
- Fachartikel: The fate of the failed supernova candidate M31-2014-DS1 (2026)
- Fachartikel: Disappearance of a massive star in the Andromeda Galaxy due to formation of a black hole (2026)
- Fachartikel: Fading into Darkness: A Weak Mass Ejection and Low-Efficiency Fallback Accompanying Black Hole Formation in M31-2014-DS1 (2026)
- Fachartikel: The failed failed-supernova scenario of M31-2014-DS1 (2026)
Episodenbild: Künstlerische Ansicht / Keith Miller, Caltech/IPAC – SELab
Mal wieder eine sehr gute und sehr starke Folge!
Ich als Laie/Nerd in der Astrophysik hab mir dazu was gedacht:
Wenn ein massereicher Stern kollabiert, entsteht zunächst ein extrem kompakter Kern. Normalerweise würde eine Schockwelle die äußeren Schichten als Supernova nach außen schleudern. Ist diese aber zu schwach, fällt die Materie zurück („Fallback“) und der Kern kollabiert weiter zu einem Schwarzen Loch.
Dabei bleibt der Drehimpuls erhalten, das entstehende Schwarze Loch rotiert also ebenfalls. Entscheidend ist aber: Die Explosion bekommt gar nicht genug Energie, um die Hülle auszustoßen – sie wird nicht „ausgebremst“, sondern kommt gar nicht richtig zustande.
Interessant finde ich, dass es dabei kurzzeitig einen Zustand geben könnte, in dem der Stern äußerlich noch existiert, aber bereits ein Schwarzes Loch im Inneren hat. Dieser Zustand ist allerdings instabil/ teilweise „stabil“ und endet im weiteren Kollaps oder – bei genügend Rotation – doch noch in einer energiereichen Explosion.
Spannend ist außerdem, dass bei solchen Kandidaten oft noch ein schwaches Infrarot-Nachglühen beobachtet wird, das mit der Zeit verblasst. Das passt gut zu der Idee, dass verbleibendes oder ausgestoßenes Material die restliche Strahlung absorbiert und im Infraroten wieder abstrahlt – der „Reststern“ wäre also nicht nur intrinsisch lichtschwach, sondern zusätzlich teilweise verhüllt.
Übrigens, hab mich direkt für die Exkursion angemeldet. Wollte heute eh mal danach fragen 😉
Vielleicht ein Trost für Franzi: Noch gemeiner als keine Supernova gesehen zu haben ist, eine Supernova zu sehen aber nicht zu wissen, dass es sich um eine solche handelt…
So geschehen Ende Februar 1987, als ich als Sternengucker den grandiosen Südsternhimmel über Neuseeland betrachtete. Bei super seeing in den Bergen der Südinsel waren neben den „Stars“ wie Kreuz des Südens, Zentaurus und ‚Orion auf dem Kopf‘ auch die Magellanschen Wolken Objekte für den Fernstecher. Vermutlich war die Supernova SN1987A ( https://de.wikipedia.org/wiki/SN_1987A) für mich ein Lichtfleck unter vielen in der Großen Magellanschen Wolke (wenn überhaupt). Erst später erfuhr ich von SN1987A. Mist!
Hätt‘ ich’s gewusst, hätte ich zwar das Gleiche gesehen, aber doch ‚mit ganz anderen Augen‘! (jaja, ich weiß: Binsenweisheit für die Wissenschaft und überhaupt…)
Grüße & Danke für Euer immer wieder spannendes Podcast
Bei den Indizien für den Ausfall einer Supernova-Explosion habe ich dasjenige vermisst, von dem man 2015 erstmals hörte, nach der erstmaligen Detektion von Gravitationswellen aus der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher, wobei auch die Massen beider bestimmt werden konnten. Das waren, glaube ich, einmal 35 und einmal 30 Sonnenmassen. Darüber hat man sich gewundert, denn Sterne mit 50 oder mehr Sonnenmassen sind extrem selten und bei einer Kenkollaps-Supernovaexplosion gehen 50 bis 90 Prozent der Masse des Sterns verloren, d.h. sie werden als Hülle abgestoßen bzw. als Neutrinos weggestrahlt. Deswegen müssten stellare schwarze Lächer mit mehr als 10 Sonnenmassen selten sein — und man kann auch wohl nicht davon ausgehen, dass alle die überschweren schwarzen Löcher, die man seither gefunden hat, schon ihre zweite oder dritte Verschmelzung durchmachen. Spätestens seit damals (vielleicht auch schon von früher her) vermutet man, dass es auch den Übergang von einem hinreichend massiven Stern ohne Supernovaexplosion direkt zum schwarzen Loch gibt, wobei ein wesentlich geringerer Teil der Hülle verloren geht.
Ich habe mir das Transkript angeschaut, um meiner Erinnerung auf die Sprünge zu helfen. Witzig finde ich, was das Sprachprogramm aus „Beteigeuze“ gemacht hat: mal ist es „Beta-Goytze“, mal „Peter Goetze“. Interessanterweise macht es aus dem englischen Namen „Betelgeuse“ wenigstens ein korrektes englisches Wort „Beetlejuice“ (was allerdings auch nichts mit Alpha Orionis zu tun hat). Und den Namen „Zwicky“ wandelt es auch mal in „Twiggy“ ab.
Franzi hat zu den Typ-Ia-Supernovae gesagt, was genau da explodiere, wisse man nicht, „teilweise“ ein weißer Zwerg. Ich denke, die Typ-Ia-Supernovae sind die am besten verstandenen. Ein weißer Zwerg in einem Doppelstern-System zieht von seinem Begleiter Materie ab, bis seine Masse die Chandrasekhar-Masse überschreitet und dann explodiert er, weil der Entartungsdruck der Elektronen dem Gravitationsdruck der Gesamtmasse, die ziemlich nahe an 1,44 Sonnenmassen liegt, nicht mehr widerstehen kann, der Kollaps zur Bildung von Materie mit der Dichte von Atomkernen führt und die Kernfusion wieder zündet (mit runaway-Effekt). Der ganze Stern fliegt auseinander. (Also nicht nur ein Teil.) Die gesamte Masse geht in die Gaswolke. Die Leuchtkurve solcher Supernova-Explosionen kann man sehr genau berechnen, die absolute Helligkeit als Funktion der Zeit ist bekannt und variiert wenig, weil die Massen festliegen und die chemische Zusammensetzung weißer Zwerge nicht super variiert (Wasserstoff, Helium, ein bisschen Kohlenstoff und Sauerstoff).
Die Supernovae vom Txp Ia fallen aber nicht aus, sondern das kann nur bei hinreichend hohen Massen passieren, also Kernkollaps-Supernovae. Da entsteht nach Verlöschen der Kernfusion und Zusammenziehen unter der Gravitation, der kein Strahlungsdruck mehr entgegenwirkt, im Innern kurzfristig ein Neutronenstern (Zwicky dachte noch, dass massereiche Sterne während eines größeren Teils ihrer Lebensdauer Neutronensterne im Innern hätten). Der hat eine riesige Dichte und wenn dann die Hülle von außen auf diese „bockelharte“ Oberfläche fällt, gibt es eine Schockwelle, die nach außen läuft und die Explosion macht. Dass dabei die Erhitzung durch Neutrinos eine große Rolle spielt und aktuell als der Hauptfaktor angesehen wird, habe ich aus der Folge gelernt…
Karls Anmerkung, dass die Zahl der Neutrinos sehr viel größer sein muss als die schon riesige Zahl, die von der Sonne durch die Erde geht, von der wir aber praktisch nichts merken, hat mir zu denken gegeben und ich habe ein bisschen recherchiert. Es sind drei Aspekte, die dazu beitragen, die Neutrinoerhitzung effektiv zu machen: a) Neutrinos bei hoher Energie werden leichter absorbiert als solche bei niedriger, das macht aber nicht so viel aus, b) der Neutrinofluss ist an der Oberfläche des temporären Neutronensterns rund 10^33 mal höher als an der Sonnenoberfläche, die Neutrinoproduktionsrate 10^20 mal (beim Neutronenstern ist die Oberfläche viel kleiner, was den noch ein paar Zehnerpotenzen höheren Fluss erklärt) und c) die Dichte der Materie in der Nähe der Neutronensternoberfläche ist 10^9 mal größer als die normaler Materie.
Der Superkamiokande-Detektor in Japan detektiert im Jahr rund 10000 solare Neutrinos. Würde die Sonne Neutrinos wie eine Supernova abstrahlen, wären es 10^24 im Jahr, also in 3×10^7 sec, also rund 10^17 pro sec. Jedes hat eine Energie von rund 10 MeV, also pro Sekunde 10^18 MeV, das sind 160000 J, womit man ein halbes Kilogramm Wasser um 80 Grad erhitzen kann. Klingt nicht beeindruckend. Jetzt muss man aber berücksichtigen, dass unser Superkamiokande 200 mal weiter vom Sonnenmittelpunkt entfernt ist als die Sonnenoberfläche, das heißt, wenn er dort wäre, wäre der Neutrinofluss 40000 mal größer, wir könnten 20000 kg Wasser um 80 Grad erhitzen. Im Kern der echten Supenova muss man das noch mit 10^13 multiplizieren, da wären wir bei 2×10^14 Tonnen Wasser und die Größe des Volumens, in dem die Wärmemenge deponiert würde wäre 3000 m^3/10^9 = 3 cm^3. (Der Superkamiokande hat grob 3000 m^3 Volumen, die bei Verdichtnng auf Kernmateriedichte auf 3 cm^3 schrumpfen. Da passen natürlich keine 10^14 Tonnen Wasser rein, selbst bei Verdichtung auf Kerndichte.) Also pro Sekunde wird eine Wärmemenge, die 2 x10^14 Tonnen Wasser um 80 Grad erhitzen könnte, in jedem Volumen von 3 cm^3 an der Oberfläche des Neutronensterns deponiert, allein durch Neutrinoabsorption… Das ist schon mind-boggling.
Aber zurück zum Problem des Ausfallens einer Supernova. Diese enorme Neutrinodichte reicht bei Sternen bis zu 20 Sonnenmassen gerade mal so, die Explosion zu triggern und aufrechtzuerhalten. Wenn die Sternmasse größer ist, dann fallen die äußeren Schichten schneller nach innen und die Neutrinoproduktion, die ja durch die Dimensionen des Neutronensterns im Innern bestimmt ist und der kann im Wesentlichen nicht größer als zwei Sonnenmassen werden, reicht irgendwann nicht mehr aus, die Explosion zu unterhalten. Dann fällt die Supernova aus, der Stern kollabiert direkt zum schwarzen Loch. Die Struktur spielt auch eine Rolle — die ganz schweren Sterne sind am Ende ja zwiebelschalenmäßig aufgebaut, mit einem Eisenkern ganz innen, und Schichten leichterer Elemente drumrum, die in verschiedenen Kernfusionsphasen entstanden sind. Da sind nicht alle Sterne genau gleich aufgebaut. Die Rotationsgeschwindigkeit beeinflusst natürlich auch, wie schnell ein Stern kollabieren kann. Deshalb ist es theoretisch möglich, dass es Massenfenster gibt, innerhalb derer Supernovaexplosionen stattfinden oder ein direkter Kollaps. Prinzipiell würde das dann so aussehen: bis 20 Sonnenmassen, Supernovaexplosion, 20-22 Sonnenmassen, direkter Kollaps, 22-24 Sonnenmassen Supernova, ab 24 Sonnenmassen nur noch Kollaps. (Die Zahlen sind aus der Luft gegriffen…)
Vielen Dank an Franzi für eine der spannendsten und anregendsten Astro-Folgen bislang!
Von Klaus Kassner:
„… und bei einer Kenkollaps-Supernovaexplosion gehen 50 bis 90 Prozent der Masse des Sterns verloren, d.h. sie werden als Hülle abgestoßen bzw. als Neutrinos weggestrahlt.“
Diese Tatsache ist letztlich einleuchtend (es ist ja eine riesige Explosion, kein reiner Kollaps), aber findet in – populär-wissenschaftlichen – Texten zu Schwarzen Löchern irgendwie selten ausdrücklich Erwähnung. Damit meine ich allein schon die Tatsache, dass die Masse des Schwarzen Lochs (oder Neutronensterns) deutlich abweicht von der Masse des Ausgangssterns. Mir war das jedenfalls bis zu dieser Folge nicht klar, und da ist es mir auch nur „indirekt“ aufgegangen, als die Lücke in der Masse der kollabierten Überreste massereicher Sterne erwähnt wurde. Also dass die masseärmsten bekannten Schwarzen Löcher substantiell schwerer sind, als die massereichsten bekannten Neutronensterne.
Denn da wurde mir klar, dass das wohl daran liegen müsste, dass bei der Entstehung eines Schwarzen Lochs ein erheblich höherer Anteil der Masse aus den äußeren Hüllen direkt mitkollabiert? D.h. auch wenn die Vorgängersterne in ihrer Masse gar nicht weit auseinander liegen, vereint der kollabierte Überrest oberhalb der Grenze, wo kein Neutronenstern mehr entsteht, grundsätzlich einen erheblich größeren Anteil der Ausgangsmasse auf sich. Und ist deshalb nicht nur ein bisschen, sondern gleich recht deutlich massereicher?
Wobei mir dann nicht ganz klar ist, warum das ein Indiz für Un-Novae sein soll, denn wenn ich das richtig verstehe, sind die erst für Sterne mit nochmal deutlich höheren Massen relevant?
„Wenn die Sternmasse größer ist, dann fallen die äußeren Schichten schneller nach innen und die Neutrinoproduktion, die ja durch die Dimensionen des Neutronensterns im Innern bestimmt ist und der kann im Wesentlichen nicht größer als zwei Sonnenmassen werden, reicht irgendwann nicht mehr aus, die Explosion zu unterhalten.“
Ist das so?
Ich hatte das eher so verstanden, dass bei derart massereichen Ereignissen der „Neutronenstern“ keiner ist (also auch nicht kurzzeitig stabil vorliegt), sondern lediglich die kollabierende Materie während dieses Prozesses vorübergehend verschiedene Stadien von „Materie-Entartung“ durchmacht, ohne besondere Masseobergrenzen. Auf dem Weg zum Schwarzen Loch zunächst „Weißer-Zwerg-Material“, dann „Neutornenstern-Material“, ohne jedoch in diesen Zuständen jeweils innezuhalten. Bzw. auch ohne diese Umwandlungen nur anteilig entspreckend der Chandrasekhar- und Tolman-Volkoff-Oppenheimer-Grenzen zu vollziehen – denn sonst dürfte es ja auch keine 2 Sonnenmassen an Neutronenstern-Material geben, weil das ja erst das Stadium „Weißer-Zwerg-Material“ durchmachen muss, und da wäre in dieser Logik bei 1.44 Sonnenmassen Schluss.
Sprich, augenblicklich/transient könnte man durchaus eine Ansammlung von, beispielsweise, 8 Sonnenmassen an „Neutronensternmaterial“ beisammen haben? Die sich natürlich schon im nächsten Moment in etwas anderes verwandeln würde.
Mir scheint, das Scheitern der Supernova würde eher mit etwas anderem zusammenhängen, als mit einer Obergrenze der Masse, die in den „Neutronenstern- Zustand“ übergehen kann. Beispielsweise an einem Maximum der Neutrinoflussdichte, die dann entsteht – der Radius (und somit die Oberfläche) der kollabierenden Masseansammlung im Augenblick, wo sie den Zustand des „Neutronenstern-Materials“ durchmacht, wird ja umso größer sein, je mehr Masse involviert ist. Und dieses Maximum reicht jenseits einer bestimmten Masseobergrenze nicht aus, um dem Gravitationskollaps des Hüllenmaterials entgegen zu wirken. Oder mal wieder die spezielle Relativitätstheorie: irgendetwas kommt ab einer bestimmten Massenobergrenze in Konflikt mit der Lichtgeschwindigkeit, wie die Elektronen im Weißen Zwerg bei Chandrasekhar?
„Prinzipiell würde das dann so aussehen: bis 20 Sonnenmassen, Supernovaexplosion, 20-22 Sonnenmassen, direkter Kollaps, 22-24 Sonnenmassen Supernova, ab 24 Sonnenmassen nur noch Kollaps. (Die Zahlen sind aus der Luft gegriffen…)“
Warum sollte es zwischen direktem Kollaps bei (angenommenen) 20-22 Sonnenmassen und direktem Kollaps bei >24 Sonnenmassen nochmal ein Szenario mit Supernova geben? Sterne, die zu schnell rotieren, als dass die Hülle direkt am Kollaps teilnehmen kann? Aber das müsste doch auch mit 21 Sonnenmassen funktionieren, oder? Also mit beliebiger Masse, bis zu der (endgültigen) Obergrenze, wo die Gravitation so stark ist, dass auch bei der schnellsten denkbaren Rotation das Hüllenmaterial nicht mehr widerstehen kann?
Die hier aufgeworfenen quantitativen Fragen sind natürlich nur durch Rechnungen zu beantworten, über die ich nichts weiß. Deshalb ist die Idee, dass mit 21 Sonnenmassen die Rotationsgeschwindigkeit im Vergleich zu 23 immer noch groß genug ist, um dem direkten Kollaps zu entgehen, also kein Fenster existieren könne, im Wesentlichen spekulativ. Letztlich kann ich dazu nichts sagen, ich weiß nur, dass die Idee in der Literatur vetreten wird, dass es Massenfenster geben könnte, in denen Supernova-Explosionen auftreten oder ausfallen können, dass also der Zusammenhang mit der Masse nicht monoton sein muss.
Dass vor Entstehung eines Neutronensterns eine weiße-Zwerg-Phase durchlaufen werden müsse, diese Idee halte ich für zweifelhaft. Weiße Zwerge werden meines Wissens nie zu Neutronensternen sondern explodieren als Supernova, wenn sie die Grenzmasse überschreiten und bei der Entstehung von Neutronensternen wird keine weiße-Zwerg-Phase durchlaufen, die Dichte der Materie steigt so schnell an, dass nie ein entartetes Elektronengas entsteht, sondern die Elektronen gleich von Protonen absorbiert werden und Neutronen entstehen. Dabei werden Neutrinos (eigentlich Antineutrinos) erzeugt und die machen den riesigen Neutrinostrom. Der ist also schon abhängig von der Masse des temporären Neutronensterns im Innern einer Supernova. Und die dürfte durchaus der Tolman-Volkoff-Oppenheimer-Grenze unterliegen, ob stabil oder instabil. (Die Grenze bestimmt ja das Stabilitätslimit.) Wenn die TOV.Grenze überschritten würde, dann wäre die Schallgeschwindigkeit in der betreffenden Materie größer als die Lichtgeschwindigkeit… Und das kann ja wohl nicht passieren. Stattdessen wird aus dem temporären Neutronenstern ein schwarzes Loch, die Neutrinoproduktion hört auf (bzw. die Neutrinos kommen aus dem schwarzen Loch nicht raus) und die äußere kollabierende Hülle wird nicht mehr gebremst, fällt also direkt in das schwarze Loch und vergrößert dessen Masse…
Natürlich kann es noch andere Mechanismen geben, die den Neutrinofluss begrenzen, aber ich bin mir ziemlich sicher, dass er dann aufhört, wenn der Neutronenstern im Innernt der Supernova wegen zu großer Masse instabil wird (wenn er schon vorher instabil war, dann wird er erst recht keine Masse von mehr als zwei bis drei Sonnenmassen erreichen; ich denke, so genau wie die Chandrasekhar-Grenze ist die Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze nicht bekannt).
Ich muss mich korrigieren. Beim Einfang von Elektonen durch Protonen, der die Neutronen eines Neutronensterns erzeugt, entstehen nicht Antineutrinos, sondern Neutrinos.
Beim Zerfall des (freien) Neutrons in ein Proton und Elektron entsteht ein Antineutrino. Das folgt aus der Erhaltung der Leptonenzahl. Vor dem Zerfall haben wir nur ein Baryon, das Neutron, nach dem Zerfall ein Baryon und ein Lepton, das Elektron. Das würde die Leptonenzahl von null auf eins erhöhen, also muss beim Zerfall noch ein Antilepton (das Antineutrino)
enstehen, mit Leptonenzahl minus eins, um wieder auf null zu kommen.
Der Prozess bei der Entstehung eines Neutronensterns ist der umgekehrte. Am Anfang haben wir ein Proton und ein Elektron, d.h. ein Baryon und ein Lepton, am Ende ein Neutron, die Leptonenzahl würde also von eins auf null sinken, was nicht erlaubt ist, also muss noch ein Lepton entstehen und das ist das Neutrino.
Hallo Franzi,
ich habe es jetzt bestimmt total falsch verstanden – bei Indiz Nummer 2, bedeutet dass das es womöglich noch einen vierten Typ Sternenleichen gibt, noch einen unbekannten zwischen Neutronen-Stern und Schwarzem Loch? Liebe Grüße!
… und die wichtigste Frage ist natürlich: Hat Avi Loeb schon verkündet, dass es sich dabei in echt um Dyson-Sphären handelt, die die Strahlung komplett absorbieren um eine Zivilisation 2 zu versorgen . 😉