Der jüngste Neutronenstern

Keplers neuer Stern

Man muss weit in den Annalen zurückblättern, um eine Supernova in unserer eigenen Milchstraße zu finden, die mit bloßem Auge sichtbar war: bis ins Jahr 1604, zu Lebzeiten von Johannes Kepler. Damals gab es noch keine Fernrohre. Der Astronom notierte seine Beobachtungen akribisch. Demnach war der „neue“ Stern von Oktober 1604 an fast ein Jahr lang zu erkennen. Zeitweise leuchtete er heller als jeder andere. Drei Wochen lang ließ er sich sogar tagsüber ausmachen. Kepler bestimmte die Winkelabstände zu bekannten hellen Sternen. Sein lateinisch verfasster Report „De Stella Nova“ erwies sich noch Jahrhunderte später als wissenschaftliche Fundgrube.

Heute geht man davon aus, dass Keplers Stern als Supernova vom Typ Ia aufflammte. Dieser Typus, den inzwischen außerhalb der Milchstraße vielfach beobachtet wird, zeigt starke Anzeichen von Silizium, dazu von Sauerstoff und Magnesium in seinem Spektrum. Typischerweise werden später noch Eisen, Kobalt und Kalzium gemessen.

Supernova-Eisen im Blut

Sterne, die als Supernova ihr Leben beenden, schleudern also schwere Elemente ins All und impfen damit das interstellare Medium. Dieses Material wird beim Zusammenbacken späterer Himmelskörper recycelt, insbesondere bei der Planetenbildung. Sogar das Eisen in unseren roten Blutkörperchen und das Kalzium in unseren Knochen dürfte einst im Hexenkessel von Supernovae ins Weltall geschleudert worden sein.

Über drei Jahrhunderte dauerte es, bis die Explosionswolke der Supernova von 1604 gefunden wurde. Keplers Angaben waren präzise genug, um es dem deutschen Astronomen Walter Baade 1942 zu ermöglichen, den Überrest am Mount Wilson Observatory bei Los Angeles aufzuspüren. Zwar fand Baade im sichtbaren Licht nur einige schwache Nebelfilamente, später erkannte man dort aber eine starke Radioquelle.

Voraussetzung für eine solche Supernova vom Typ Ia ist ein Doppelsystem, wobei einer der beiden Sterne ein Weißer Zwerg sein muss. Ihm steht ein explosives Ende bevor, wenn ihm sein Partner so nahe rückt, das er ihm viel Materie entreißen kann. Dann kommt es zu einer nuklearen Zündung.

Die genauen Umstände dieser Kernexplosion sind noch Gegenstand von Fachdebatten. Fest steht, dass ein erheblicher Teil des Kohlenstoffs und des Sauerstoffs im Weißen Zwerg innerhalb weniger Sekunden zu schwereren chemischen Elementen fusioniert. Bei dieser thermonuklearen Reaktion, die der Explosion einer gigantischen Wasserstoffbombe ähnelt, erhitzt sich der Stern auf über eine Milliarde Grad Celsius. Er detoniert und setzt eine Stoßwelle frei, bei der seine Materie mit bis zu 11.000 Kilometern pro Sekunde ins Weltall schießt, also mit fast vier Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Die freigesetzte Energie führt zu einer extremen Erhöhung der Leuchtkraft. Zur Hinterlassenschaft einer Typ-Ia-Supernova gehört kein Neutronenstern – die Explosion zerreißt den Weißen Zwerg und lässt keine Sternenleiche am Tatort zurück.

Suche nach der Sternleiche

Bei SN 1987A ist das anders, denn sie wurde als Supernova vom Typ II klassifiziert. Hier stürzt der ausgebrannte Kern eines sehr massereichen Sterns in sich zusammen, ohne dass ein Nachbarstern beteiligt ist. Der Kernkollaps erfolgt, wenn der thermische Druck nicht mehr ausreicht, der Gravitation Paroli zu bieten. Dann entsteht ein Neutronenstern oder sogar ein Schwarzes Loch.

In die lange vergebliche Suche nach einem Neutronenstern der SN 1987A wurde auch die Teleskop-Anlage ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) in Chile eingeschaltet. Ende 2019 publizierte ein internationales Team um Phil Cigan Beobachtungen, die in der Explosionswolke eine kompakte Konzentration von Staubpartikeln zeigte – im Jargon der Forscher ein „Blob“. Cigan, Astrophysiker von der Cardiff University in Wales, geht davon aus, dass sich darin die Sternenleiche verbirgt. In einer Supernova entsteht nicht nur Millionen Grad heißes Gas. Wenn es sich abkühlt, wandelt sich ein Teil davon in festen Staub um. So soll es auch 1987 gewesen sein, als die Staubmenge schätzungsweise zwischen 0,2 und 0,7 Sonnenmassen lag.

Die ALMA-Bilder sind die schärfsten, die je von dem Supernova-Überrest gelangen. Sie sind 460-mal so detailliert wie Beobachtungen mit dem Herschel-Weltraumteleskop 2011 und immerhin noch viermal besser als ALMA-Beobachtungen ein Jahr danach. Sie zeigen die strahlende Staubwolke mit einer Ausdehnung von etwa 600 Milliarden Kilometern – dem 4000-Fachen des mittleren Abstands zwischen Erde und Sonne. Mit 33 Kelvin (minus 240 Grad Celsius) ist der Staub für Weltraum-Bedingungen relativ warm.

Das Licht des Neutronensterns wird allerdings von Staub blockiert, ähnlich wie Scheinwerferlicht durch Nebel. „Es muss etwas in der Wolke sein, das den Staub erwärmt und zum Leuchten bringt“, ist Mikako Matsuura vom Cardiff-Team überzeugt. Doch die Astronomin irritierte die beachtliche Helligkeit der Wolke um den mutmaßlichen Neutronenstern.

Dann veröffentlichte im Juli 2020 ein Forscherteam um den Dany Page eine Studie im Astrophysical Journal mit dem Titel „NS 1987A in SN 1987A“. Der Schweizer ist Experte für Neutronensterne und forscht an der Staatlichen Autonomen Universität von Mexiko. 1987 hatte er als Doktorand die Supernova beobachtet.

Rasender Neutronenstern

Die aktuellen Analysen stützen die Interpretation des ALMA-Teams. Demnach hat die Sternexplosion den Neutronenstern mit dem provisorischen Namen NS 1987A mit einer Geschwindigkeit von 300 bis 500 Kilometern pro Sekunde von seinem Entstehungsort weggeschleudert. Seine Temperatur schätzen die Forscher auf etwa fünf Millionen Grad Celsius. Das reicht aus, um die Helligkeit der mit ALMA aufgefangenen Strahlung zu erklären. „Die Wärmeenergie, die von der heißen Oberfläche des jungen Neutronenstern abgegeben wird, passt gut zu den Beobachtungen“, sagt Page.

Hans-Thomas Janka vom Garchinger Max-Planck-Institut für Astrophysik war an beiden Studien beteiligt. Ihn wundert es nicht, dass der Neutronenstern außerhalb des Zentrums der Explosionswolke aufgespürt wurde. Das sei eine Folge der asymmetrischen Explosion von 1987: „Ein Großteil des Eisens, das dabei entstanden ist, wurde entgegengesetzt zur Bewegung des Neutronensterns ausgeschleudert“, sagt Janka. „Durch den Vergleich der beobachteten Eisenverteilung mit 3D-Computermodellen haben wir vorausgesagt, dass der Neutronenstern nördlich des Explosionszentrums liegt“. Und genau dort ist die heiße Staubwolke nun entdeckt worden.

Der Neutronenstern hat wohl einen Durchmesser von etwa 25 Kilometern. Für einen stellaren Himmelskörper ist das winzig, seine Materie ist deshalb extrem verdichtet. Nur 33 Jahre alt, wäre er der jüngste bekannte Vertreter seiner Art. Das zweitjüngste Exemplar bewohnt den Supernova-Überrest Kassiopeia A und ist bereits zehnmal so alt. Womöglich müssen die Astronomen auf einen direkten Nachweis von NS 1987A noch einige Jahrzehnte warten, bis sich der Staub und das Gas der Explosionswolke gelichtet haben und den Blick auf den jungen Neutronenstern freigeben.