Explosiver Tod eines Sternen-Schwergewichts

Tod eines Massemonsters: Zum ersten Mal haben Astronomen einen Beweis dafür gefunden, dass die extrem massereichen Wolf-Rayet-Sterne tatsächlich in einer gewaltigen Sternenexplosion enden. Indiz dafür sind verräterische Spektrallinien in einer frischen Typ IIb-Supernova, 360 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Dieser Fund liefert neue Erkenntnisse über den Tod dieser und anderer extrem massereicher Sterne, so die Forscher im Fachmagazin „Nature“.

Extrem massereich, hellblau und fünf Mal heißer als die Sonne: Wolf-Rayet-Sterne sind die Exoten unter den stellaren Schwergewichten. Denn im Gegensatz zu anderen massereichen Sternen haben sie einen Großteil ihrer Wasserstoffhülle bereits verloren. Trotzdem besitzen sie noch immer zwischen 25 und weit über 100 Sonnenmassen – konzentriert auf nur den drei bis vierfachen Sonnendurchmesser. Sie gehören damit zu den massereichsten stellaren Objekten des Kosmos.

Zehrender Sternenwind

Eine weitere Besonderheit dieser Sterne ist ein starker Sternenwind, der mit mehr als 1.000 Kilometern pro Sekunde vom Kern ausgeht. Pro Jahr verliert der Wolf-Rayet-Stern dadurch rund ein Tausendstel der Sonnenmasse. Dieser gewaltige Ausstrom energiereicher Teilchen und Strahlung wirft auch Fragen zum Ende dieser Extremsterne auf: Während die deutlich leichteren Roten Riesen typischerweise in einer Typ II Supernova explodieren, waren sich Astronomen bei den Wolf-Rayet-Sternen nicht so sicher.

Theoretisch könnte es sein, dass der alternde Stern sein Leben buchstäblich aushaucht – er verliert so viel Masse, dass es nur noch zu einer schwachen, kaum beobachtbaren Explosion reicht. Viele Astronomen halten aber auch das genaue Gegenteil für möglich: eine besonders helle Supernova, vielleicht sogar eine Hypernova mit Gammablitz. Denn einige dieser Explosionen sind extrem wasserstoffarm, was gut zu den fast hüllenlosen Wolf-Rayet-Sternen passen würde. Trotz aller Suche konnte aber keiner von ihnen eindeutig auf frischer Tat ertappt werden.

Aufnahme der Supernova SN2013cu kurz nach ihrer Entdeckung © Avishay Gal-Yam / Weizmann Institute of Science

Verbreiterte Spektrallinien

Im letzten Jahr allerdings entdeckten Astronomen ein erstes Indiz: Nach einer Supernova des Typs Ib suchten sie in alten Aufnahmen nach Hinweisen auf den Vorläuferstern – und fanden ein stellares Objekt, das in einigen Merkmalen einem Wolf-Rayet-Stern ähnelte. „Aber ob das wirklich der Vorläuferstern war, ist bisher nicht eindeutig bestimmt“, erklären Avishay Gal-Yam vom Weizmann Institute of Science in Rehovot und seine Kollegen.

Entscheidend für die Identifizierung ist das charakteristische Merkmal eines solchen Sterns, die spektrale Signatur seines Sternenwinds. Die mit dem Wind herausgerissenen Elemente erscheinen darin als durch die Geschwindigkeit des Winds verbreiterte Spektrallinien. Genau diese Linien haben den Forschern nun zu einem Durchbruch verholfen. Denn sie entdeckten diese typische Signatur erstmals in dem Lichtblitz einer Supernova des Typs IIb.

Glücksfall Supernova

Die SN2013cu getaufte Explosion ereignetet sich 360 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Bootes. Mit Hilfe des auf diese Ereignisse programmierten automatischen Teleskops am Palomar Observatory in Kalifornien gelang es den Astronomen, das Spektrum der Supernova nur 15,5 Stunden nach ihrem Beginn einzufangen. Zu einem so frühen Zeitpunkt hat die Schockwelle der Explosion den Sternenwind noch nicht komplett geschluckt, seine Spektralsignatur ist daher manchmal noch erkennbar.

Wie die Analysen des Supernova-Spektrums ergaben, war dies auch bei SN2013cu der Fall. „Wir hatten Glück: Die Bedingungen, die wir in diesem Moment beobachteten, waren denen vor der Supernova noch sehr ähnlich“, erklärt Koautor Peter Nugent vom Berkeley National Laboratory. Das Spektrum der Supernova zeigte Linien, wie sie für einen Wolf-Rayet-Stern typisch sind.

„Rauchender Colt“ für explosives Ende

Dafür sprechen vor allem die verbreiterten Spektrallinien, die auf eine Geschwindigkeit des Sternenwinds von mindestens 2.500 Kilometern pro Sekunde hindeuten. Den Berechnungen nach verlor der Stern dadurch unmittelbar vor seiner Explosion etwa drei Hundertstel Sonnenmassen pro Jahr – das ist selbst für einen Wolf-Rayet-Stern sehr viel. Die Forscher vermuten, dass dieser verstärkte Sternenwind erst rund ein Jahr vor der Supernova einsetzte und damit das Ende einläutete.

„Dies ist der rauchende Colt: Zum ersten Mal können wir auf eine Beobachtung zeigen und sagen, dass diese Art von Wolf-Rayet-Stern zu dieser Art von Supernova Typ IIb führt“, sagt Nugent. Die Astronomen sind damit einen Schritt weiter gekommen, den komplexen und variantenreichen Lebenszyklus massereicher Sterne aufzuklären. Und es ist nun klar, dass die „windigen“ Wolf-Rayet-Sterne nicht einfach unauffällig verpuffen, sondern zumindest in einigen Fällen durchaus starke, helle Supernovae verursachen können. (Nature, 2014; doi: 10.1038/nature13304)

(Nature/ LBNL, 23.05.2014 – NPO)