Max-Planck-Forscher enträtseln Entstehung des Krebsnebels

Garchinger Astrophysiker rekonstruieren mit Computersimulationen die Geburt des Krebsnebels in einer gigantischen Supernova-Explosion

Das Rätsel, wie der Krebsnebel vor 952 Jahren entstanden ist, haben jetzt Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching gelöst. Mit ausgefeilten Computersimulationen konnten die Forscher nachweisen, dass es sich bei diesem Gasnebel um die auseinanderfliegende Trümmerwolke eines Sterns mit etwa der zehnfachen Sonnenmasse handelt, der durch die Wirkung von Neutrinos explodiert ist. Diese Elementarteilchen wurden in riesiger Zahl abgestrahlt, als der Kern des Sterns zu einem Neutronenstern kollabierte. Die Forscher haben ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Astronomy &Astrophysics" veröffentlicht.

Als chinesische und arabische Astronomen im Frühling des Jahres 1054 nach Christus den Himmel beobachteten, fiel ihnen ein neuer Stern im Sternbild Stier auf, der so hell war wie die Venus. Ihren historischen Überlieferungen zufolge wurde dieser "Gaststern" innerhalb von Wochen zunehmend heller und konnte im Juli dann für 23 Tage sogar am Taghimmel gesehen werden. Seine Beobachtung mit bloßen Augen war über zwei Jahre hinweg möglich.

Heute wissen wir, dass diese Beobachtungen mit der Geburt des Krebsnebels in einer gigantischen Supernova-Explosion zusammenfallen. Nach Millionen von Jahren ruhiger Entwicklung hatte ein massereicher Stern seinen nuklearen Brennstoff aufgebraucht. Damit war die Energiequelle in seinem Zentrum erloschen, die ihn gegen die gewaltigen Kräfte seiner eigenen Gravitation stabilisiert hatte. Innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde stürzte daraufhin sein Kern zu einem Neutronenstern zusammen. Ein solches kompaktes Objekt hat mehr Masse als die Sonne, dabei aber nur einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern. Dieser Neutronenstern ist heute als Pulsar im Krebsnebel sichtbar. Er dreht sich 33 mal pro Sekunde um die eigene Achse und sendet dabei periodische Strahlungspulse aus.

Der größte Teil des Sterns wurde jedoch in einer ungeheuren Explosion mit einer Energie auseinandergesprengt, die aller Strahlung gleichkommt, welche die Sonne innerhalb von fünf Milliarden Jahren abgegeben hat. Die heißen Sterntrümmer leuchteten dann als jener neue Stern auf, von dem chinesische und arabische Astronomen berichteten. Heute sieht man an dieser Himmelstelle die filigrane Gas- und Staubwolke des Krebsnebels, die mittlerweile eine Ausdehnung von rund sechs Lichtjahren hat und sich immer noch mit 1.500 Kilometern in der Sekunde ausdehnt (s. Abb.1). Sie enthält neben den chemischen Elementen, die der Stern in einer Folge nuklearer Brennphasen aufgebaut hat, also zuerst Helium aus Wasserstoff, dann Kohlenstoff aus Helium und schließlich Neon, Magnesium und Sauerstoff aus Kohlenstoff, auch radioaktive Atomkerne, z.B. Nickel, die während der Explosion selbst entstanden sind. Der hohe Anteil von Helium und die relative geringe Häufigkeit von Kohlenstoff und Sauerstoff im Krebsnebel wurden als Hinweise darauf interpretiert, dass der explodierende Stern nur die acht- bis zehnfache Masse der Sonne hatte, also gerade noch genug, um sein Leben in einer Supernova-Explosion zu beenden.

Doch warum ist der Stern explodiert? Was war der Grund für dieses spektakuläre Ereignis? Die Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching ist überzeugt, nun die Antwort auf dieses lang ungeklärte Rätsel gefunden zu haben. Ihre ausgeklügelten Computermodelle belegen, dass Neutrinos die treibende Kraft hinter dieser Explosion sind. Diese Elementarteilchen entstehen in riesiger Zahl im sehr heißen und extrem dichten Innern eines neu entstehenden Neutronensterns, vor allem durch Reaktionen von Elektronen und Positronen mit Protonen und Neutronen, den Bausteinen von Atomkernen. Nachdem die Neutrinos ihren Weg zur Oberfläche des Neutronensterns gefunden haben, verlassen die
meisten davon den Stern und tragen auf diese Art 99 Prozent der Energie fort, die während der Bildung des Neutronensterns freigesetzt wird. Weniger als ein Prozent der Neutrinos wird aber in dem stellaren Gas, das den Neutronenstern umgibt, absorbiert, bevor sie entweichen können. Die dadurch übertragene Energie heizt das Sterngas und bringt es zum Brodeln wie Suppe in einem Dampfkochtopf (s. Abb.2). Der sich aufbauende Druck beschleunigt schließlich die äußeren Sternschichten und zersprengt den Stern in einer Supernova-Explosion.

Obwohl diese Theorie für den Beginn der Explosion schon 25 Jahre alt ist, stellte sich heraus, dass ihre Gültigkeit nur sehr schwer mit Computermodellen zu belegen ist. Nun konnten die Modelle der Garchinger Forscher die theoretischen Ideen zumindest für Sterne im unteren Massenbereich von Supernova-Vorläufersternen stützen. "Mit unserer detaillierten und
genauen Beschreibung, wie Neutrinos in der Materie im Supernova-Zentrum entstehen und wechselwirken, können wir bestätigen, dass das Neutrino-Heizen Sternexplosionen auslösen

kann wie diejenige, die zur Entstehung des Krebsnebels geführt hat", sagt Francisco Kitaura, der die Computersimulationen durchgeführt hat.

Die neuen Berechnungen stimmen sehr gut mit Beobachtungen überein, nach denen die Energie dieser Explosion nur rund ein Zehntel der einer typischen Supernova war. Anders als frühere Simulationen sagen sie auch nur geringe Mengen Kohlenstoff, Sauerstoff und Nickel im ausgeschleuderten Sterngas voraus (s. Abb.3). Außerdem fehlt die starke Anreicherung der chemischen Zusammensetzung des Supernova-Überrests mit exotischen, seltenen Elementen, die sich in früheren Modellen ergab und die in krassem Widerspruch zu den beobachteten Elementhäufigkeiten in unserer Milchstraße stand. Wegen der relativ geringen Masse von ausgeschleudertem Sterngas, der niedrigen Explosionsenergie und der kleinen Menge von radioaktivem Material sollten andere Supernovae des Krebs-Typus eine verhältnismäßig schwache Leuchtkraft haben und damit nur schwer bei großen Entfernungen zu entdecken sein, obwohl ein Drittel aller Sternexplosionen von dieser Art sein könnte.

"Unsere Computermodelle legen nahe, dass die Krebs-Supernova nur deshalb ein so ungeheuer helles Ereignis war, weil sie sich in nur 6.300 Lichtjahren Abstand von der Erde ereignet hat", erklärt Wolfgang Hillebrandt, der Leiter der Forschergruppe. "Verglichen mit anderen Supernovae war es eigentlich ein relativ schwaches und unspektakuläres Ereignis. Unsere Computermodelle werden uns sagen, wonach wir künftig Ausschau halten müssen, um weitere solche Fälle aufspüren zu können."