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.
