In der Welt der Astrophysik, in der die Grenzen unseres Verständnisses des Universums ständig verschoben werden, hat ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Astrophysikern der Northwestern University kürzlich eine bisher ungesehene Art von Sternenexplosion, bekannt als Supernova, aufgezeichnet. Diese außergewöhnliche Entdeckung mit dem Namen SN2021yfj gibt uns einen einzigartigen Einblick in die inneren Mechanismen eines sterbenden Sterns und enthüllt Schichten schwerer Elemente wie Silizium, Schwefel und Argon, was den üblichen Beobachtungen widerspricht.

Eine unglaubliche Entdeckung: Eine Supernova bis auf den Kern entblößt

Wenn massereiche Sterne ihre spektakuläre Explosion erleben, erwarten Astrophysiker normalerweise starke Signale von leichteren Elementen, hauptsächlich Wasserstoff und Helium. Die Supernova SN2021yfj zeigte jedoch eine erstaunlich andere chemische Signatur. Ihr Licht war reich an Silizium, Schwefel und Argon, Elemente, die sich typischerweise tief im Inneren des Sternenkerns befinden. Diese Entdeckung hat in der wissenschaftlichen Gemeinschaft große Aufregung ausgelöst, da sie einen direkten Beweis für die lange theoretisierte Schichtstruktur von Sternenriesen liefert und einen beispiellosen Blick in das tiefe Innere eines massereichen Sterns bietet – nur Momente vor seinem explosiven Tod.

Die Beobachtungen von SN2021yfj deuten stark darauf hin, dass der massereiche Stern auf irgendeine ungewöhnliche Weise seine äußeren Schichten aus Wasserstoff, Helium und Kohlenstoff verloren hat, bevor er explodierte. Dies führte zur Freilegung der inneren, an Silizium und Schwefel reichen Schichten. Die Studie, die diese revolutionäre Entdeckung beschreibt, wurde am 20. August 2025 in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

„Dies ist das erste Mal, dass wir einen Stern gesehen haben, der buchstäblich bis auf die Knochen entblößt wurde“, erklärte Steve Schulze von der Northwestern University, der die Studie leitete. „Dies zeigt uns, wie Sterne strukturiert sind, und beweist, dass Sterne eine enorme Menge an Material verlieren können, bevor sie explodieren. Sie können nicht nur ihre äußersten Schichten verlieren, sondern sie können bis in die Tiefe vollständig entblößt werden und immer noch eine brillante Explosion erzeugen, die wir aus sehr, sehr großen Entfernungen beobachten können.“

„Dieses Ereignis sieht buchstäblich wie nichts aus, was irgendjemand jemals zuvor gesehen hat“, fügte Adam Miller hinzu, ebenfalls von der Northwestern University und einer der Hauptautoren der Studie. „Es war fast so seltsam, dass wir dachten, wir würden vielleicht nicht das richtige Objekt beobachten. Dieser Stern sagt uns, dass unsere Vorstellungen und Theorien darüber, wie sich Sterne entwickeln, zu eng sind. Es ist nicht so, dass unsere Lehrbücher falsch wären, aber sie umfassen offensichtlich nicht vollständig alles, was in der Natur entsteht. Es muss exotischere Wege für einen massereichen Stern geben, sein Leben zu beenden, die wir nicht berücksichtigt haben.“

Schulze, ein Experte für die extremsten transienten Objekte in der Astronomie, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) an der Northwestern. Miller ist Assistenzprofessor für Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences an der Northwestern und ein führendes Mitglied von CIERA und des NSF-Simons AI Institute for the Sky.

Die Schichtstruktur massereicher Sterne: Eine kosmische 'Zwiebel'

Massereiche Sterne, deren Masse 10 bis 100 Mal größer sein kann als die unserer Sonne, werden durch Kernfusion angetrieben. Bei diesem Prozess führen intensiver Druck und extreme Hitze im Sternenkern dazu, dass leichtere Elemente verschmelzen und schwerere Elemente entstehen. Wissenschaftler haben lange theoretisiert, dass massereiche Sterne eine Schichtstruktur haben, ähnlich einer Zwiebel. Die äußersten Schichten bestehen überwiegend aus den leichtesten Elementen wie Wasserstoff und Helium. Wenn man sich nach innen bewegt, werden die Elemente immer schwerer, bis man den innersten Eisenkern erreicht.

Wenn die Temperatur und Dichte im Kern ansteigen, beginnt die Fusion auch in den äußeren Schichten. Während sich der Stern im Laufe der Zeit entwickelt, werden sukzessive schwerere Elemente im Kern fusioniert, während leichtere Elemente in einer Reihe von Schalen, die den Kern umgeben, fusioniert werden. Dieser Prozess setzt sich fort und führt schließlich zu einem Kern aus Eisen. Eisen ist das Endprodukt der Fusion in Sternen, da seine Fusion keine Energie freisetzt, sondern verbraucht. Wenn der Eisenkern zu groß und instabil wird, kollabiert er unter seiner eigenen Schwerkraft, was eine massive Explosion auslöst, die als Supernova vom Typ II bekannt ist, oder zur Bildung eines Schwarzen Lochs oder eines Neutronensterns führt.

Obwohl massereiche Sterne normalerweise Schichten abstoßen, bevor sie explodieren, hat SN2021yfj weitaus mehr Material ausgestoßen, als Wissenschaftler jemals zuvor nachgewiesen haben. Andere Beobachtungen von "entblößten Sternen" haben Schichten aus Helium oder Kohlenstoff und Sauerstoff aufgedeckt – freigelegt nach dem Verlust der äußeren Wasserstoffhülle. Aber Astrophysiker haben nie tiefer geblickt, was darauf hindeutet, dass etwas außergewöhnlich Gewalttätiges und Bemerkenswertes am Werk gewesen sein muss.

Die Suche nach einer kosmischen Anomalie: Wie SN2021yfj ans Licht kam

Die Entdeckung von SN2021yfj begann im September 2021, als Schulze und sein Team die Zwicky Transient Facility (ZTF) nutzten, ein Teleskop östlich von San Diego. Das ZTF verwendet eine Weitwinkelkamera, um den gesamten sichtbaren Nachthimmel zu scannen. Seit seiner Inbetriebnahme ist das ZTF zum weltweit führenden Motor für die Entdeckung astronomischer Transienten geworden – kurzlebiger Phänomene wie Supernovae, die plötzlich aufleuchten und dann schnell verblassen.

Bei der Durchsicht der ZTF-Daten bemerkte Schulze ein extrem helles Objekt in einer Sternentstehungsregion, 2,2 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Um mehr Informationen über das mysteriöse Objekt zu erhalten, wollte das Team sein Spektrum erhalten, das das gestreute Licht in seine einzelnen Farben zerlegt. Jede Farbe repräsentiert ein anderes Element. Durch die Analyse des Spektrums einer Supernova können Wissenschaftler also feststellen, welche Elemente bei der Explosion vorhanden sind.

Obwohl Schulze sofort handelte, stieß die Suche nach dem Spektrum auf zahlreiche Hindernisse. Teleskope auf der ganzen Welt waren entweder nicht verfügbar oder konnten die Wolken nicht durchdringen, um ein klares Bild zu erhalten. Glücklicherweise erhielt das Team eine Überraschung von einem Astronomenkollegen, der ein Spektrum mit Instrumenten am W.M. Keck Observatory auf Hawaii gesammelt hatte.

„Wir dachten, wir hätten die Chance, diese Beobachtungen zu bekommen, komplett verpasst“, sagte Miller. „Also gingen wir sehr enttäuscht schlafen. Aber am nächsten Morgen lieferte uns ein Kollege von der UC Berkeley unerwartet das Spektrum. Ohne dieses Spektrum hätten wir vielleicht nie erkannt, dass dies eine seltsame und ungewöhnliche Explosion war.“

„Wir sahen eine interessante Explosion, aber wir hatten keine Ahnung, was es war“, sagte Schulze über SN2021yfj. „Wir erkannten fast sofort, dass es etwas war, was wir noch nie zuvor gesehen hatten, also mussten wir es mit allen verfügbaren Ressourcen untersuchen.“

Das Geheimnis des entblößten Sterns: Was verursachte das extreme Schälen?

Anstelle typischer Elemente wie Helium, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff – die in anderen entblößten Supernovae gefunden werden – wurde das Spektrum von SN2021yfj von starken Signalen von Silizium, Schwefel und Argon dominiert. Diese schwereren Elemente entstehen durch Kernfusion tief im Inneren eines massereichen Sterns während seiner letzten Lebensphasen. Das bedeutet, dass der Stern fast alle seine äußeren Schichten verloren haben muss und sein Inneres kurz vor der Explosion freigelegt hat.

„Dieser Stern hat den größten Teil des Materials verloren, das er während seiner Lebenszeit produziert hat“, erklärte Schulze. „So konnten wir nur das Material sehen, das in den Monaten unmittelbar vor seiner Explosion gebildet wurde. Etwas sehr Gewalttätiges muss passiert sein, um dies zu verursachen.“

Obwohl die genaue Ursache dieses Phänomens eine offene Frage bleibt, schlagen Schulze und Miller vor, dass ein seltener und starker Prozess am Werk war. Sie untersuchen mehrere Szenarien, darunter Wechselwirkungen mit einem potenziellen Begleitstern, eine massive Eruption vor der Supernova oder sogar ungewöhnlich starke Sternwinde. Jeder dieser Mechanismen könnte den Verlust der äußeren Schichten erklären, aber das Ausmaß der Entblößung von SN2021yfj deutet auf etwas Extremeres hin.

Eines der wahrscheinlichsten Szenarien, so das Team, ist, dass diese mysteriöse Supernova das Ergebnis eines massereichen Sterns ist, der sich buchstäblich selbst zerreißt. Während sich der Kern des Sterns unter seiner eigenen Schwerkraft zusammenzieht, wird er noch heißer und dichter. Die extreme Hitze und Dichte entzünden dann die Kernfusion erneut mit einer so unglaublichen Intensität, dass sie einen starken Energieausbruch verursacht, der die äußeren Schichten des Sterns wegbläst. Dieser Prozess, bekannt als Paarinstabilität, kann zu pulsierenden Eruptionen führen, die enorme Mengen an Material ausstoßen. Jedes Mal, wenn der Stern eine neue Episode der Paarinstabilität durchläuft, stößt der entsprechende Impuls mehr Material aus.

„Einer der jüngsten Hüllenauswürfe kollidierte mit einer bereits existierenden Hülle, was die brillante Emission erzeugte, die wir als SN2021yfj sahen“, sagte Schulze und erklärte, wie diese Kollision den außergewöhnlich hellen Blitz erzeugte, der von der Erde aus sichtbar war.

„Obwohl wir eine Theorie darüber haben, wie die Natur diese spezielle Explosion erzeugt hat“, sagte Miller, „würde ich mein Leben nicht darauf verwetten, dass sie richtig ist, denn wir haben immer noch nur ein entdecktes Beispiel. Dieser Stern unterstreicht wirklich die Notwendigkeit, mehr dieser seltenen Supernovae zu entdecken, um ihre Natur und ihre Entstehung besser zu verstehen.“

Implikationen für die Astrophysik: Ein neuer Blick ins Herz sterbender Riesen

Die Entdeckung von SN2021yfj stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Astrophysik dar. Sie liefert direkte empirische Beweise für theoretische Modelle der Sternentwicklung, die die Schichtstruktur massereicher Sterne vorhersagen. Bisher basierten solche Modelle auf indirekten Beobachtungen und Computersimulationen. Jetzt, mit SN2021yfj, haben Wissenschaftler die Möglichkeit, die tiefen inneren Schichten eines Sterns unmittelbar vor seinem Tod direkt zu beobachten, was für die Kalibrierung und Verfeinerung bestehender Theorien von unschätzbarem Wert ist.

Diese Supernova wirft auch neue Fragen zu den Mechanismen des Massenverlusts bei massereichen Sternen auf. Wenn Sterne so viel Material verlieren können, sogar bis zu dem Punkt, dass sie bis zum Siliziumkern entblößt werden, könnte dies erhebliche Auswirkungen auf unser Verständnis der Bildung von Schwarzen Löchern, Neutronensternen und der Anreicherung des Universums mit schweren Elementen haben. Extremer Massenverlust vor einer Explosion kann die endgültige Masse und den Typ des Sternüberrests beeinflussen.

Zukünftige Forschungen werden sich auf die Suche nach ähnlichen Objekten konzentrieren, um entweder die Einzigartigkeit von SN2021yfj zu bestätigen oder zu entdecken, dass es sich um eine neue Klasse von Supernovae handelt. Die Entwicklung fortschrittlicherer Teleskope und Beobachtungstechniken sowie ausgefeilterer Computermodelle werden entscheidend sein, um diese kosmischen Rätsel zu lösen. Jede neu entdeckte Supernova wie SN2021yfj bringt uns dem Verständnis der spektakulärsten Ereignisse im Universum und der eigentlichen Entwicklung der Sterne, die die Bausteine unseres kosmischen Zuhauses sind, näher.

Die Studie wurde von der National Science Foundation unterstützt, und die Unterstützung von CIERA ermöglichte den Zugang zu Daten des ZTF-Teleskops.

Quelle: Northwestern University