Verdächtige Lichtschwäche in Orions Schulter: Steht uns eine Supernova in kosmischer Nachbarschaft bevor?

Wer in den kommenden Monaten den Blick nach Einbruch der Dämmerung zum Himmel hebt, könnte Zeuge eines spektakulären Schauspiels werden: der Explosion des Sterns „Beteigeuze“ im Sternbild Orion. Denn Beteigeuze spielt derzeit ein bisschen verrückt, was ein Anzeichen für sein nahes Ende sein könnte.

Naturwissenschaftler weltweit sind fasziniert. „Das wäre eine Sensation, und für mich persönlich würde ein Jugendtraum in Erfüllung gehen“, sagt etwa der Direktor des Zentrums für Astronomie und Astrophysik an der TU Berlin Dieter Breitschwerdt.

Während der vergangenen 1000 Jahre konnten Menschen nur zwei Mal den Tod eines solchen Sterns mit bloßem Auge beobachten – 1572 und 1604. Da aber die Himmelsbeobachter jener Zeit mit den ihnen zur Verfügung stehenden Mitteln die beiden explodierenden Sterne vorher nicht sehen konnten, deuteten sie jenes helle Aufleuchten jeweils als „Nova Stella“, also als neuen Stern. Deshalb bezeichnet man heute noch den explosiven Tod eines Sterns als Supernova.

Was wir sehen, ist lange her

Supernova-Forscher haben es schwer. Das fängt, so Breitschwerdt, mit der Beobachtung an: „Bisher konnte kein Supernova-Vorläuferstern kurz vor seiner Explosion beobachtet werden.“ Zwar explodieren im Weltall in jeder Sekunde einige Sterne. Nahezu alle diese Sternkatastrophen ereignen sich jedoch in fernen Galaxien. Deshalb werden sie erst hinterher und trotz ihrer Helligkeit bestenfalls mit Fernrohren entdeckt. Mit Beteigeuze aber könnte es demnächst einen Stern in unserer eigenen Milchstraße treffen, der zudem nach kosmischen Maßstäben direkt vor unserer Haustür leuchtet. Er ist „nur“ etwa 640 Lichtjahre von uns entfernt.

Auch das Wort „demnächst“ muss man kosmisch einordnen: Es kann heute geschehen – oder auch erst in hunderttausend Jahren. Und wenn die Supernova von Beteigeuze tatsächlich heute am Nachthimmel aufleuchten würde, dann hätte sie auch schon vor 640 Jahren stattgefunden. Die Nachricht der Sternexplosion wäre also seit dem Spätmittelalter durch den Weltraum unterwegs, um uns heute zu erreichen.

© Illustration: NASA/CXC/M. Weiss

Die Astrophysiker führen Beteigeuze schon lange auf ihrer Liste der stellaren Todeskandidaten. Eines der deutlichsten Kennzeichen für sein nahendes Ende ist seine rötliche Farbe, die man schon mit dem bloßen Auge erkennen kann. Aus ihr kann man die Temperatur seiner äußeren Gasschichten ablesen, die dieses rötliche Licht abstrahlen. Sie sind nur etwa 3500 Grad heiß. Dies ist wesentlich kühler als zum Beispiel die Oberfläche der Sonne, deren gelblich-weißes Licht Temperaturen von nahezu 6000 Grad anzeigt.

Ein Volumen von einer Milliarde Sonnen

Trotz seiner vergleichsweise kühlen und damit dunklen Oberfläche sehen wir Beteigeuze jedoch als einen der hellsten Sterne am Himmel. Aus seiner bei der Erde ankommenden Lichtfülle und seiner Entfernung kann man berechnen, dass er rund 100 000 Mal mehr Licht abstrahlt als die Sonne. Diese große Leuchtkraft trotz kühler Oberfläche lässt nur einen Schluss zu: Beteigeuze ist sehr groß. Der Lichtpunkt am Himmel ist in Wahrheit eine riesige Sternkugel, mit 20-mal größerer Masse als die Sonne – aber deutlich geringerer Dichte: Unsere Sonne fände rund eine Milliarde Mal Platz in ihm. Beteigeuze ist damit wohl einer der größten Sterne der Milchstraße, Paradebeispiel eines Typs, den Astronomen als „Rote Überriesen“ bezeichnen.

© UCL/University of London Observatory/Steve Fossey/Ben Cooke/Guy Pollack/Matthew Wilde/Thomas Wright

Wie alle Sterne wird auch Beteigeuze aufgeheizt von der Strahlung, die bei der Verschmelzung von Atomkernen in seinem dichten, heißen Zentrum freigesetzt wird. Und wie in allen Sternen verschmolzen auch in Beteigeuze anfänglich nur Wasserstoff-Atomkerne zu Helium-Atomkernen.

In einem massereichen Stern läuft dieser Verschmelzungsreaktor jedoch auf Hochtouren und verbraucht viel Wasserstoff. Obwohl Beteigeuze noch keine 10 Millionen Jahre lang leuchtet, bezieht er seine Energie deshalb bereits aus mindestens einer zusätzlichen Quelle: Längst verschmelzen in ihm auch Helium-Atomkerne. Dabei entstehen Kohlenstoff und Sauerstoff.

Die Zündung der Helium-Verschmelzung im heißen Bauch von Beteigeuze erhöhte den Strahlungsdruck in ihm. Und dadurch wiederum wurden seine äußeren Gasschichten aufgeblasen zu dem Roten Überriesen, den wir heute sehen. Seine aktuelle Kurzbeschreibung lautet also: heißer Kern, kühle, extrem voluminöse Hülle, die aber trotzdem insgesamt viel Licht abstrahlt.

Energiekrise, wenn die Kerne nicht mehr verschmelzen

Als Energienachschub für diese hohe Abstrahlung werden in Beteigeuze mit zunehmendem Alter immer neue Atomkern-Verschmelzungen zünden, bei denen nach und nach zunehmend größere Atomkerne aufgebaut werden: Natrium, Neon, Magnesium, Sauerstoff usw. Niemand weiß jedoch, bei welchen dieser Verschmelzungsprozesse Beteigeuze bereits angekommen ist – beziehungsweise vor 640 Jahren angekommen war.

Sollte aber das sogenannte „Silizium-Brennen“ dort bereits begonnen haben, ist sein Ende nicht mehr fern. Aus Silizium wird in komplexen Kernreaktionen Eisen entstehen. Eisen ist jedoch kein weiterer Brennstoff mehr für den Verschmelzungsreaktor eines Sterns. Sobald sich Beteigeuzes Bauch also mit Eisen zu füllen beginnt, erlischt die Energieproduktion seines Sternkraftwerks. Dadurch sinkt auch der zentrale Gas- und Strahlungsdruck, die dem Gewicht der Sternhülle dann nichts mehr entgegenzuhalten haben. Und dann geht alles ganz schnell. Die äußeren Gasmassen beginnen nach innen zu fallen.

© X-ray: NASA/CXC/Rutgers/K.Eriksen et al.; Optical: DSS

Dort prallen sie auf den dichten Kern aus Eisen, werden zurückgeschleudert und rasen wieder nach außen. Das Tohuwabohu aus einstürzenden und zurückgeschleuderten Gasmassen verwandelt den Gravitationskollaps des Sterns in eine Explosion hocherhitzter Sternmaterie. Die auseinanderstiebenden heißen Gasmassen werden wochenlang so viel Licht abstrahlen wie viele Milliarden normale Sterne zusammengenommen. Am Himmel der Erde wird die Supernova von Beteigeuze wochenlang als gleißend strahlender „Stern“ zu sehen sein, der die Nächte erhellen wird wie ein Vollmond.

Neutronenstern oder schwarzes Loch

Der innere dichte Kern des ehemaligen Sterns wird die Explosion jedoch überstehen und von seiner eigenen Schwerkraft noch weiter zusammengepresst und verdichtet werden. Sein Endzustand wird von der ihm verbliebenen Masse abhängen. Bei weniger als etwa zwei Sonnenmassen wird sein Kollaps damit enden, dass Atomkerne und Elektronen zu Neutronen verschmelzen. Der so entstehende „Neutronenstern“ wird nur noch zehn bis zwanzig Kilometer groß sein.

Seine Materie wird so dicht gepackt sein, dass schon in einem gehäuften Teelöffel von ihr so viel Masse stecken würde wie in der Cheops-Pyramide. Sollte das zusammenstürzende ehemalige Zentrum von Beteigeuze jedoch mehr als zwei Sonnenmassen enthalten, wird sein Zusammensturz auch mit einem unvorstellbar dichten Neutronenstern noch nicht zu Ende sein. In diesem Fall gäbe es kein Halten mehr gegen seinen weiteren Zusammensturz zu einem Schwarzen Loch.

© NASA/CXC/UCSC/L. Lopez et al.

Noch aber ist es nicht so weit. Noch lebt und leuchtet Beteigeuze. Eine kleine Meldung des Astronomen Edward Guinan von der Universität Villanova in Pennsylvania (USA) im „Astronomer’s Telegram“ am 8. Dezember 2019 aber könnte sich bald als seine vorweggenommene Todesanzeige entpuppen. Sie verwandelte den Sternengreis in einen weltweiten Medienstar: Beteigeuze ist deutlich dunkler geworden. Wie Messungen seines Spektrums zeigen, ist auch seine Oberflächentemperatur um über 150 Grad gesunken.

Dunkler Vorbote?

Selbst ungeübte Himmelsbeobachter sehen es auf den ersten Blick: Das Sternbild Orion sieht nicht mehr so aus wie seit Menschengedenken. Bis vor Kurzem stand Beteigeuze, der – von uns aus gesehen – linke Schulterstern, noch als siebthellster aller Sterne am Himmel. Aber nun leuchtet er nicht einmal mehr unter den Top zwanzig. Edward Guinan teilte auf Nachfrage mit, dass die Lichtschwäche von Beteigeuze nicht nur anhält, sondern dass seine Helligkeit sogar weiter abgenommen habe. Doch dass die Helligkeitsabnahme seine Supernova ankündigt, ist alles andere als ausgemacht.

Die Mehrheit der Astronomen ist sogar anderer Meinung, Breitschwerdt etwa: „Ich denke, dass die plausibelste Erklärung für den Helligkeitsabfall eine Instabilität in der Energieerzeugung ist, die bei Überriesen durchaus üblich ist.“ Als Folge pulsiere Beteigeuze und verändere dadurch periodisch seine Helligkeit. Auch Edward Guinan neigt zu dieser Interpretation, weist aber auch auf eine andere mögliche Erklärung hin: „Vielleicht hat der instabile Stern eine größere Gaswolke weggeschleudert, die sich abgekühlt hat und nun zeitweilig das Sternlicht schwächt.“

Tatsächlich beobachten Astronomen schon seit Langem mehr oder weniger regelmäßige Helligkeitsschwankungen von Beteigeuze. Aber so dunkel wie jetzt wurde er dabei noch nie. Auch Guinan jedenfalls sagt, er schaue derzeit „häufig zum Himmel, um mich zu vergewissern, dass an seiner Stelle nicht ein viel hellerer Stern strahlt“.

Die Supernova als (Ur-)Ursprung des Lebens

Es wäre ein Tod, aber auch eine Geburtshilfe. Denn Supernovae, so Guinan, haben für den Kosmos und seine Geschichte eine große Bedeutung: „Aus dem Gas, das bei einer Supernova in das Weltall hinausgeschleudert wird, werden neue Sterne und neue Planeten geboren.“

Die Explosionswolke jeder Supernova enthält den ganzen chemischen Reichtum der Stoffe, die der Stern bei seinen Kernverschmelzungen zuvor in seinem heißen Bauch aufgebaut hatte. Zudem entstehen in der Explosionshitze einer Supernova die meisten anderen der noch fehlenden Atomkerne, die der Stern nicht aufbauen konnte, die heute aber ebenfalls zum Periodensystem der Elemente gehören. Erst durch unzählige solcher Sternentode wurde aus einem langweiligen Wasserstoff-Weltall während seiner 13,7 Milliarden Jahre langen Geschichte allmählich ein chemisches Paradies. Nur in ihm konnte schließlich auch – zumindest einmal hier auf der Erde, vielleicht auch anderswo – Leben entstehen.

Falls wir irgendwann in den kommenden Wochen, Monaten oder Jahren tatsächlich die Supernova von Beteigeuze erleben werden, sollten wir nicht nur das Himmelsschauspiel bestaunen. Wir sollten uns auch daran erinnern, dass wir selbst Sternenstaub sind und dass der Stoff der Sterne in unseren Gehirnen sich bewusst geworden ist, woher er kommt.