Supernova vom Typ Ia
Die thermonukleare Explosion eines Sterns, eine Supernova (SN), tritt sehr viel seltener als die Nova veränderlicher Sterne auf, kann dann aber so dramatisch sein, dass sie für einige Tage mehr Licht als zuvor die gesamte sie beherbergende Galaxie ausstrahlt. Etwa nach einem Jahr ist schließlich der Stern erloschen. Von vielen Observatorien und mit dem Weltraum-Röntgenteleskop Chandra wurde eine energiereiche Explosion SN2006gy registriert. Sie leuchtete viele Monate heller als ihre Heimat-Galaxie NGC1260 (240 Millionen Lichtjahre entfernt im nördlichen Sternbild Perseus) und man glaubte an eine Obergrenze möglicher Sternexplosionen. Doch im Juni 2015 wurde eine noch mächtigere Hypernova ASASSN15lh vom Typ I beobachtet, 3,8 Milliarden Lichtjahre entfernt. Aus der Analyse des Spektrums kann verschiedene Typen von Supernovae unterscheiden: Meist handelt es sich um Einzelsterne mit mindestens 8 Sonnenmassen, in deren Zentrum Kohlenstoff fusioniert wird und deren Spektrallinien Wasserstoff- und Heliumlinien enthalten (Typ II). Die Fusion im Innern des Sterns läuft schalenförmig ab bis schließlich mit Eisen ein Endpunkt erreicht wird. Beim folgenden Ablauf stürzt schließlich der Kern in sich zu einem Schwarzen Loch zusammen und ein großer Teil der dabei freiwerdenden Energie wird als Schockwelle über die äußeren Sternhülle nach außen getragen. Dabei entstehen auch schwere Elemente wie Gold bis hin zum Uran.
Eine zweite Klasse von Supernovae enthält keine Wasserstofflinien weil der Stern seinen Wasserstoff zuvor schon zu schwereren Elementen fusioniert oder seine äußere Hülle als Sternenwind weggeblasen hatte (Typ I). Zu einer Unterklasse Ia dieses Typs gehört etwa jede 10. SN. Sie erzeugt wegen ihres reproduzierten speziellen Ablaufs stets die gleiche Lichtemission. Ihr Spektrum enthält keinen Wasserstoff aber neben Helium Absorptionslinien von Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, und besonders von Silizium...
Die Modellvorstellung einer Supernova vom Typ Ia (SN Ia) beschreibt den Vorgang in einem Doppelsternsystem so: Ein massereicher sterbender Stern hat seine äußeren Schichten als planetarischen Nebel abgestoßen und sein restlicher kompakter Kern bildet einen Weißen Zwerg. Dieser Rest mit schon sehr hoher Dichte und etwa der Größe der Erde besteht vorwiegend aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Letztlich versiegt die Fusionsreaktion und der Zwergstern kühlt sich immer mehr ab und erlischt. Spannend ist es, wenn seine Masse noch fast 40% über der unserer Sonne liegt (Chandrasekhar-Masse). Falls es ihm dann gelingt, Material aus seiner Umgebung zu sammeln, etwa von einem ihn begleitenden Roten Riesen, wird er instabil, sein Kern beginnt zu einem Neutronenstern einzustürzen. Durch den plötzlichen Temperatur- und Druckanstieg wird jedoch zunächst die thermonukleare Fusion von Kohlenstoff und Sauerstoff gezündet, die den Stern in einer Supernova-Explosion vom vom Typ Ia zerreißt. Die Grenzmasse von 1,4 Sonnenmassen erklärt die Konstanz der Leuchtkraft bei der Explosion. Geringe Massenunterschiede - bedingt durch Unterschiede der Elementzusammensetzung - bei der SN Ia und damit ihrer absoluten Leuchtkraft können am Verlauf des Abklingens der scheinbaren Leuchtkraft (am Beobachtungsort) erkannt werden und man kann sie so auf die Norm von 1,4 Sonnenmassen korrigieren.
Eine möglichst genaue Entfernungsmessung ist eines der wichtigsten Probleme der Kosmologie. Aus der scheinbaren Leuchtkraft kann die so genannte Leuchtkraftentfernung berechnet werden. Die gibt an wie weit ein Objekt gleicher Leuchtkraft in einem euklidischen Raum entfernt wäre. Bei ihrer Berechnung aus der scheinbaren Leuchtkraft wird auf ein Weltmodell zurückgegriffen (etwa von Friedmann) mit Parametern wie Verhältnis von Dunkler Masse, baryonischer Masse und Dunkler Energie. Die Expansion des Raums während der Reise des Lichts vom Explosionsort der SN Ia (dem Lichtsender) bewirkt eine Abschwächung der Leuchtkraft vom Sender bis zum Empfänger nicht nur mit dem Abstandsquadrat - wie im euklidischen Raum erwartet - sondern zusätzlich durch den Energieverlust mit der Rotverschiebung der Lichtwellen während ihrer Reise und der kosmologischen Zeitdilatation (alle Aktivitäten beim Sender erscheinen beim Empfänger verlangsamt). Deshalb errechnen sich verglichen mit anderen Entfernungsgrößen große Zahlenwerte für die Leuchtkraftentfernung. Eine beispielsweise vor 5 Milliarden Jahren explodierte SN Ia mit einer "Laufzeitentfernung" von 5 Milliarden Lichtjahren hat eine Leuchtkraftentfernung von 9 Milliarden Lichtjahren aber ihr Rest befindet sich jetzt 6 Milliarden Lichtjahre entfernt (mitbewegte Entfernung).
Die Spektralanalyse von Supernovae kann ein Schlüssel zur Unterscheidung verschiedener Modelle des Ablaufs einer Supernova Ia sein, speziell das Verhältnis von Mangan zu Eisen. Am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg sind daraus Hinweise abgeleitet worden, die für die Kosmologie im Zusammenhang mit der Dunklen Energie große Folgen hätten: Ein großer Teil der SN Ia wäre demnach aus zwei verschmelzenden weißen Zwergsternen entstanden und nicht wie oben beschrieben, womit keine feste Masse und somit auch keine gleich bleibende absolute Leuchtkraft folgen würden. Die aus ihr abgeleiteten Entfernungen müssten auf den Prüfstand wie letztlich auch die Expansion des Universums.