Wie explodiert ein Stern?

College Station (USA) - Am Ende seines Daseins kann ein Weißer Zwerg mit extrem hoher Dichte in einer gigantischen Supernova explodieren. Die Details dieser kosmischen Explosion wurden zwar schon oft simuliert, doch geben sie den Astrophysikern immer noch Rätsel auf. Nun schlagen amerikanische Physiker ein neues Modell für den Ablauf einer Supernova vor. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, spielen Turbulenzen beim Verbrennungsprozess eine wesentliche Rolle. Diese könnten den Übergang eines schnellen Verbrennungsvorgangs – Deflagration genannt – zu einer heftigen Detonation mit überschallschnellen Stoßwellen erklären helfen.

Eine Energiequelle für eine Supernova des Typs Ia bildet die Kernfusion von Kohlenstoff. In einem Labor lässt sich diese Reaktion jedoch nicht nachstellen. Daher analysierten Alexei Y. Poludnenko von der Texas A&M University in College Station und seine Kollegen das schnelle Verbrennen von Wasserstoff- und Methangas. In einer insgesamt etwa einen Meter langen hitzefesten Röhre speisten sie die brennbaren Gase ein und zündeten es an einem Ende mit einem elektrischen Funken. In der Röhre platzierten sie feinmaschine Gitter, durch die gezielt Turbulenzen im strömenden Gas erzeugt werden konnten.

Mehrere Versuchsreihen zeigten nun einen engen Zusammenhang zwischen Turbulenzen und der Entwicklung einer heftigen Explosion. Ohne Turbulenzen konnte etwa der Wasserstoff bereits in schnell züngelnden Flammen verbrennen. Doch erst turbulente Strömungen führten zu einer Erhöhung der Flammengeschwindigkeiten. Ab einer speziellen Grenzgeschwindigkeit – Chapman-Jouguet Deflagration genannt – ging die schnelle Verbrennung in eine Explosion über. Dabei wurden rasch starke Druckwellen aufgebaut, die sich deutlich schneller als der Schall ausbreiteten und die Gewalt einer Explosion ausmachen.

Mit ihren Erkenntnissen aus dem Gas-Experiment speisten die Forscher nun ein Computermodell, mit dem sich der Ablauf einer Supernova simulieren ließ. Dazu ergänzten sie bewusst Turbulenzen beim Ablauf der gewaltigen thermonuklearen Prozesse in einem Weißen Zwerg. Erst dank dieser Turbulenzen ging die bereits schnelle Ausbreitung der thermonuklearen Verbrennung in eine Supernova-Explosion über. Mit diesem Modell konnten die Forscher auch auf die dafür notwendige Dichte in einem Weißen Zwerg schließen. Diese muss mindestens 10 bis 100 Tonnen pro Kubikzentimeter betragen, damit eine Supernova des Typs Ia entstehen kann.

Diese Kombination aus Experiment und Simulation liefert nicht nur für die Astrophysik neue Impulse. Auch für die Entwicklung von effizienteren Verbrennungsprozessen in Triebwerken könnte der Einfluss von Turbulenzen in Zukunft eine noch wichtigere Rolle spielen.