Geburt, Leben und Sterben der Sterne

Astrophysik

Hanns Ruder

• Verlag: Komplett-Media Verlag
• Jahr: 2011
• ISBN:
  9783831256815
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Astronomie & Astrophysik

Sterne werden seit 13 Milliarden Jahren kontinuierlich in Molekülwolken durch Gravitationsinstabilitäten geboren. Wenn im Inneren dieser kollabierenden Gaskugeln Druck und Temperatur hoch genug sind, setzt Energieproduktion durch Kernfusion ein - das normale Leben der Sterne beginnt. Je größer die Sterne sind, desto kürzer leben sie. Wenn durch Fusion keine Energie mehr erzeugt werden kann, sterben sie.Sterne bis 8 Sonnenmassen sind sehr fantasievoll, indem sie wunderschöne, planetarische Nebel bilden, in deren Zentrum als Rest ein Weißer Zwergstern übrig bleibt. Sterne mit mehr als 8 Sonnenmassen enden spektakulär als Supernova-Explosion mit Neutronensternen oder Schwarzen Löchern als Leichen.

Noch 5 Milliarden Jahre

Sterne sterben. Diese Aussage wird Sie zunächst etwas wundern. Denn wenn man sich das Firmament, den Himmel anschaut, meint man, alles ist stetig, alles lebt unendlich, und es ändert sich nichts. Das ist aber nicht richtig. Alles ist wirklich veränderlich und die Sterne werden geboren, leben und sterben. Ich möchte Ihnen das am Beispiel unserer Sonne klar machen.

Wenn Sie zum Beispiel eine Photovoltaikanlage auf dem Dach haben, dann erzeugt die Energie. Wo kommt diese Energie her? Die kommt von der Sonne. Die Sonnenenergie wird von der Photovoltaikanlage in Strom umgewandelt. Ich habe zum Beispiel auf unserem Haus eine 10 Kilowatt Anlage, das heißt, die Anlage erzeugt, wenn die Sonne draufknallt, 10 Kilowatt Strom. Der kommt von der Sonne. Die Anlage ist etwa 100 Quadratmeter groß. Dann kann man ungefähr ausrechnen, wie viel Energie hier drauf kommt. Und da die Energie nur einen geringen Wirkungsgrad hat, kommt natürlich von der Sonne noch viel mehr Energie. Wir Astrophysiker sind Menschen, die sehr, sehr genau messen. Wir haben diese Konstante, also diesen Wert, wie viel Energie die Sonne pro Quadratmeter auf die Erde sendet, sehr genau gemessen. Dieser Wert ist die sogenannte „Solarkonstante.“ Sie beträgt 1,36 Kilowatt pro Quadratmeter. Das heißt also die Sonne sendet pro Quadratmeter 1,36 Kilowatt auf die Erde.

Da wir auch wissen, wie weit die Erde von der Sonne weg ist, können wir natürlich jetzt ausrechnen, wie viel Energie die Sonne insgesamt abstrahlt. Da kommen wir auf einen gewaltigern Wert von 4 Mal 10²³ Kilowatt. Das ist die gesamte Leistung der Sonne. Wenn man sich das ein bisschen klar macht, erkennt man schnell, wie ungeheuer viel das ist. Die Erde ist von der Sonne ausgesehen ein ganz, ganz winziges Fleckchen. Von der Sonne aus gesehen ist die Oberfläche der Erde ein Milliardstel von der ganzen Oberfläche, das heißt es kommt nur ein Milliardstel von dem, was die Sonne abstrahlt, auf der Oberfläche der Erde an. Das sind aber immer noch 2 Mal 10¹⁴ Kilowatt. Die kosten bei heutigen Strompreisen etwa 30 Billionen Euro. Das heißt, dass die Sonne in einer Stunde Energie im Wert von über 30 Billionen Euro auf die Erde strahlt. Das ist 100 Mal der Etat vom Bundeshaushalt, in einer Stunde. Und wir machen uns Sorgen? Das haben wir wirklich nicht nötig. Die Sonne sendet ungeheuer viel Energie, mit der wir was anfangen können. Andererseits folgt daraus natürlich sofort, dass die Sonne nicht ewig leben kann.

Die Sonne muss ja die Energie irgendwo her nehmen, erzeugen. Wie macht es die Sonne? Das wissen wir seit den 1930er Jahren, dass die Sonne die Energie durch Kernfusion gewinnt.

Im Prinzip besteht die Sonne aus Wasserstoff. Sie verbrennt den Wasserstoff, verschmilzt den Wasserstoff zu Helium. Wenn zwei Protonen und zwei Neutronen zu einem Heliumkern, zu einem Atomkern verschmelzen, gewinnt man ungeheuer mehr Energie, als wenn man es chemisch verbrennt. Und das macht die Sonne.

Jetzt kann man sich ausrechnen, dass die Sonne mit ihrem Energievorrat an Wasserstoff etwa 10 Milliarden Jahre leuchten kann. Da sie bis jetzt 4,6 Milliarden Jahre alt ist, kann sie also noch gute 5 Milliarden Jahre leuchten. Im Moment müssen wir uns keine Sorgen machen. Aber in 5 Milliarden Jahren geht unsere Sonne aus.

Wie entstehen Sterne?

So jetzt gibt es aber im Weltall viele Sterne. Wenn Sterne sterben, ausgehen, gibt es immer noch viele andere. Das heißt es müssen auch immer wieder Sterne geboren werden. Sonst gäbe es ja keine mehr. Das heißt also, es müssen permanent Sterne im Universum entstehen. Die leben eine zeitlang, je nach dem, wie viel Energie sie haben und dann sterben sie.

Kommen wir zu dem ersten Punkt: Wie entstehen Sterne?

Das ist ein ziemlich komplizierter Prozess, den wir aber inzwischen ganz gut verstanden haben. Im Weltall gibt es große Molekülwolken, Wolken aus Wasserstoff und Helium, bis zu 20.000 Sonnenmassen große Wolken. Bei diesen Wolken passiert es, das hat der Physiker Jeans erkannt, wenn die Dichte und die Temperatur einen bestimmten Wert in den Wolken haben, dann wird ein Teil dieser Wolken gravitativ instabil. Das heißt, unter gewissen Bedingungen fangen Teile dieser Molekülwolken an, in sich zusammen zu stürzen, zu kollabieren. Das ist der Beginn, sozusagen die Geburtsstunde eines neuen Sterns: Molekülwolken von 5 oder 8 Sonnenmassen kollabieren, fangen an, zusammen zu stürzen.

Wie geht es jetzt weiter? Die können natürlich immer weiter in sich zusammenstürzen. Jetzt passiert ein ziemlich komplizierter Vorgang, den man mit Supercomputern heutzutage ganz gut nachrechnen kann. Es strahlt natürlich diese Energie ab, die Gravitationsenergie, die frei wird, wird abgestrahlt. Trotzdem aber erhitzt sich die Wolke im Laufe der Zeit innen immer mehr und der Druck steigt. Irgendwann passiert dann Folgendes: Der Druck und die Temperatur im Inneren sind so hoch, dass die Fusion anfängt. der Stern beginnt mit der Energieerzeugung passiert.

Das ist genau das, was die Menschen seit vielen, vielen Jahren probieren, durch Fusion Energie erzeugen. Dazu braucht man extrem hohe Temperaturen und extrem hohe Dichten. Die im Labor herzustellen, ist extrem schwierig und man hat so das Gefühl, man steht seit 50 Jahren immer noch 50 Jahre vor Beginn des Fusionsreaktors.

Beim Stern ist das ganz trivial. Die Schwerkraft zieht ihn zusammen, der Druck steigt, die Temperatur steigt, die Fusion setzt ein. So, wenn jetzt die Fusion einsetzt, was passiert dann? Dann wird im Inneren Energie erzeugt, und diese Energie muss ja irgendwo hin. Die Energie wird nach außen transportiert. Dieser Energietransport nach außen bewirkt einen Gegendruch gegen die zusammenziehende Schwerkraft. Auf diese Weise kann ein selbst stabilisierender Fusionsreaktor entstehen. Wenn er noch nicht genügend innere Energie erzeugt, dann zieht ihn die Gravitation noch ein bisschen mehr zusammen. Die Temperatur und der Druck steigen, es wird mehr Energie durch Fusion erzeugt. Die drückt nach außen, bis ein Gleichgewicht da ist. Auf diese Weise entsteht ein stabiler Stern. Und so ist auch unsere Sonne vor 4,56 Millionen Jahren entstanden.

So werden also Sterne geboren. Dann gibt es noch die Möglichkeit, dass sich Doppelsterne und Mehrfachsterne bilden. Und es gibt auch die Möglichkeit, weil diese Molekülwolke, wenn sie anfängt zu kollabieren, meistens einen Drehimpuls, dass sich um den Stern herum noch eine Scheibe bildet, eine Gasscheibe. Das passiert tatsächlich bei sehr vielen Sternen. Aus diesen Gasscheiben entstehen dann Planetensysteme. Wir können heutzutage wunderschön beobachten, wie solche Sterne entstehen, zum Beispiel die Orionnebel.

Sie kennen das Sternbild Orion. Winterhimmel. Die hellen Sterne im Orion sind die Gürtelsterne. Unterhalb von den Gürtelsternen ist eine kleine Gaswolke, die man schon mit bloßem Auge sieht, mit dem Fernstecher oder einem kleinen Fernrohr natürlich noch besser. Das ist das unserer Erde nächst liegende Sternentstehungsgebiet, etwa 1.500 Lichtjahre entfernt. Das Licht braucht nur 1.500 Jahre, um von dort zu uns zu gelangen. Da entstehen permanent neue Sterne. Und man kann die in allen Stadien sehen. Man kann sie als Protosterne sehen. Man kann sie sehen, wie sie gerade anfangen zu kollabieren. Man kann sie sehen, wie sie innen gerade zünden. Wie sie außen eine Akkretionsscheibe ausbilden, eine sehr dünne Scheibe, aus der dann Planetensysteme entstehen. Das kann man heutzutage mit dem Hubble Teleskop alles wunderschön beobachten.

Nachdem ein Stern geboren ist bilden sich diese Planetensysteme, das dauert ein bisschen länger. Die Akkretionsscheiben, die bestehen aus ein bisschen Staub. Die Staubteilchen baatzen sich so stückweise zusammen. Das dauert etwa 400 Millionen Jahre, bis sie sich zusammen geklumpt haben und dann Planeten entstehen. Und in den letzten Phasen knallen dann immer noch große Brocken rein. Dann gibt es diese Krater. Wenn Sie sich den Mond angucken, den Merkur oder auch den Mars, sehen Sie die riesige Einschlagsgrate. Das sind sozusagen die Krater am Ende der Entstehung der Planeten, als noch viele Trümmer herumgesaust sind und reingestürzt sind.

Unser Sonnensystem, das wissen wir heute sehr genau, ist 4,57 Milliarden Jahre alt. Die Sonne ist entstanden, dann die Planeten aus den Scheiben, die haben ein paar hundert Millionen Jahre gebraucht. Die sind dann etwa 4 Milliarden Jahre alt. Und das stimmt genau mit dem überein, was man bei der Untersuchung von Mondgestein festgestellt hat. Sein Alter beträgt ungefähr 4 Milliarden Jahre.

Das Leben der Sterne

Nachdem die Sterne geboren worden sind, leben sie. Und das Leben der Sterne ist eigentlich, wenn man sich das so anschaut, relativ langweilig. Die machen Energie durch Fusion. Produzieren Energie. Strahlen ab. Es passiert sonst nicht sehr viel. Sie haben ein bisschen Magnetfelder, ein bisschen Sonnenflecken, ein bisschen Sonnenstürme. Aber im Prinzip ist der Stern ein braver, vor sich hin funktionierender Fusionsreaktor, der einfach Energie erzeugt und abstrahlt, so wie unsere Sonne.

Wenn man sich aber die Sternenbevölkerung anschaut, ist das doch eigentlich ganz interessant. Es gibt ja ganz verschiedene Sterne. Sie sehen nicht alle aus wie unsere Sonne. Zum Beispiel haben sie verschiedene Farben. Wenn Sie sich noch einmal das Sternbild „Orion“ ansehen, dann ist es der Stern rechts unten, „der Riegel“, der ist richtig blau, das sieht man mit bloßem Auge. Links oben aber, „Beteigeuze“, das ist ein roter Stern. Was bedeutet das, blauer Stern, roter Stern? Die Sterne haben verschiedene Temperaturen, es gibt kühle Sterne, und es gibt heiße Sterne. Beispielsweise der Riegel, dieser blaue Stern im Orion, der hat eine Oberflächentemperatur von 11.000 Grad. Unsere Sonne hat eine Oberflächentemperatur von 5.600 Grad und erscheint uns weiß. Und Beteigeuze, der rote Stern im Orion, der hat 3.000 Grad. Das heißt also eine charakteristische Eigenschaft der Sterne sind ihre Farben oder physikalisch ausgedrückt, ihre Temperaturen.

Wir können von den Sternen Spektren aufnehmen, wir zerlegen ihre elektromagnetischen Schwingungen in ein Spektrum, wie man es vom Prisma her kennt. Aus der Form und Intensität dieses Spektrums können wir auf die Temperatur schließen. Wir können von den Sternen die Temperatur messen. Eine Größe von Sternen ist also ihre Temperatur. Diese Temperatur von den Sternen kann zwischen 2.000 und 30- bis 40 Tausend Grad Celsius betragen.

Was können wir noch von den Sternen messen, worin unterscheiden sie sich noch?

Da ist die Helligkeit. Es gibt helle Sterne und es gibt schwach leuchtende Sterne. Jetzt ist es natürlich so, wenn Sie in der Nacht zum Himmel blicken, gibt es natürlich helle und weniger helle Sterne. Das sagt aber noch nicht aus, wie hell ein Stern in Wirklichkeit ist. Das hängt auch davon ab, wie weit er entfernt ist.

Stellen Sie sich einmal vor, Sie haben eine 100 Watt Glühbirne in 100 Metern Entfernung. Die hat eine gewisse Helligkeit. In 200 Metern Entfernung ist die 100 Watt Glühbirne nur noch ein Viertel so hell. Das heißt, dass der Abstand die Helligkeit bestimmt. Eine 100 Watt Glühbirne in 200 Metern Entfernung ist so hell, wie eine 25 Watt Glühbirne in 100 Metern Entfernung. Was wir messen, ist die „scheinbare Helligkeit,“ wie hell uns ein Stern erscheint. Wenn wir aus der scheinbaren Helligkeit auf die absolute Helligkeit eines Sterns schließen wollen, müssen wir wissen, wie weit er weg ist. Das ist ein Riesenproblem, mit dem sich die Astronomen seit vielen, vielen Jahren, seit weit über 100 Jahren beschäftigen

Die erste primitive Methode, mit der man die Sternenentfernung gemessen hat, war mit Hilfe der Entfernung zwischen Erde und Sonne. Man weiß, die Erde läuft um die Sonne und der Bahndurchmesser beträgt 300 Millionen Kilometer. Jetzt peilen die Astronomen einmal zum Beispiel im Frühjahr die Richtung zu dem Stern. Dann lassen Sie die Erde halb um die Sonne rumlaufen und peilen in 300 Millionen Kilometern Entfernung auf der anderen Seite erneut denselben Stern. Mit dieser, auch den Geodäten vertrauten Methode lassen sich die Entfernungen von Sternen, die nicht weiter als 20 oder 30 Lichtjahre von uns fort sind, ziemlich genau bestimmen.

Aber den genauen Abstand weiter entfernte Sterne zu bestimmen ist ein Riesenproblem. Da das aber etwas Wichtiges ist, ist jetzt als Nachfolge der „Hipparcos-Mission“, mit der Hunderttausende Sterne vermessen worden sind, ein neuer Satellit geplant. Der Satellit Gaia soll eine Milliarde Sterne vermessen.

Wir leben ja in unserer Milchstraße. Unsere Milchstraße, das ist ein flacher Systemspiralnebel mit einem Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren und einer Dicke von vielleicht 3.000 bis 4.000 Lichtjahren. Die Sonne ist so etwa 20.000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt und läuft in 250 Millionen Jahren einmal um das Zentrum herum. Mit der Gaia Misson würden in der Sonnenumgebung etwa 1 Milliarde Sterne vermessen. Aber den Satelliten haben wir noch nicht. Er ist technisch gesehn eine wahnsinnige Herausforderung. Aber immerhin kennen wir bis heute von etwa 100.000 Sternen die Entfernungen.

Wenn wir die scheinbare Helligkeit und die Entfernung kennen, können wir sagen, wie hell der Stern absolut und im Vergleich zur Sonne ist.

Nehmen wir wieder unsere beiden Sterne, Riegel und Beteigeuze. Riegel ist 775 Lichtjahre entfernt.Wenn er 775 Lichtjahre entfernt ist, kann man sich überlegen, wie hell würde unsere Sonne in 775 Lichtjahren Entfernung erscheinen? Sie wäre ein ganz schwaches Sternchen, ganz schwach. Man würde sie nur mit einem ganz großen Fernrohr sehen können. Man kann ausrechnen, dass der Riegel,wenn er 775 Lichtjahre von uns entfernt ist und so hell ist, dass wir ihn mit bloßem Auge sehen, 40.000 Mal so hell wie die Sonne sein muss.

Und Beteigeuze, der rote Stern, der scheinbar vergleichbar so hell ist wie der Riegel, ist nur 400 Lichtjahre entfernt. Da er nur halb so weit entfernt ist, aber ungefähr gleich hell am Himmel erscheint, ist er natürlich absolut nur ein Viertel mal so hell, das heißt, er strahlt 10.000 Mal heller als die Sonne.Riegel hat 40.000, Beteigeuze 10.000 Sonnenleuchtkräfte.

Jetzt haben wir zwei charakteristische Größen, nämlich die Temperatur der Sterne und die absolute Helligkeit im Vergleich zur Sonne. Im Jahr 1910 sind Hertzsprung und Russel, zwei Astrophysiker auf die Idee gekommen, dass man das ja mal in ein zweidimensionales Diagramm einzeichnen kann.Jetzt müssen Sie ein bisschen abstrahieren und sich vorstellen, ich mache einen waagrechten Strich auf ein Blatt Papier. Machen Sie einen waagrechten Strich, und malen Sie die Temperatur darauf,2.000 Grad, 3.000 Grad, und so weiter, bis 40.000 Grad. Dann machen Sie einen senkrechten Strich und malen Sie die Helligkeit der Sterne darauf. Die absolute Helligkeit der Sterne reicht von einem Hunderttausendstel der Sonnenleuchtkraft bis zum Hunderttausendfachen der Sonnenleuchtkraft. Die schwächsten Sterne sind nur ein Hunderttausendstel so hell wie unsere Sonne, die hellsten Stern sind fast Hunderttausend Mal heller als unsere Sonne. Also in der Waagerechten haben wir die Temperatur und nach oben die absolute Helligkeit.

Unsere Sonne steht mit 5.600 Kelvin und einer Sonnenleuchtkraft irgendwo in der Mitte des Diagramms. Andere Sterne mit tausendfacher Sonnenleuchtkraft stehen weiter oben. Je nach dem, ob sie blau, heißer oder kälter sind, stehen sie weiter links oder rechts.

Jetzt können Sie sich vorstellen, dass sich das ganze Diagramm erst einmal füllt. Das ist aber nicht so.Die Sterne ordnen sich in einer Linie, einer sogenannten Hauptreihe an. Das heißt, es gibt einfach nicht überall Sterne mit einer beliebigen Temperatur und Helligkeit. Die Sonne mit ihrer Sonnenhelligkeit hat eben 5.600 Kelvin. Es gibt keinen Stern, der so hell ist wie die Sonne, aber vielleicht 11.000 Grad Oberflächentemperatur hat, das gibt es nicht. Das lässt sich im Hertzsprung-Russell-Diagramm sehr gut sehen und verstehen. Die meisten Sterne sitzen während ihrer Lebenszeit auf diesem Diagramm.

So kann man jetzt daraus auf die Lebensdauer eines Sterns schließen. Die kleinen, schwach leuchtenden, wenig heißen Sterne, die schwachen Sterne haben wenig Masse. Die blauen, die heißen Sterne, die hellen Sterne, die haben eine große Masse.

Nehmen wir wieder unser Beispiel Riegel. Der Riegel hat die 17fache Sonnenmasse. Aber jetzt muss man sich überlegen, der ist ein Verschwender, denn er imitiert 40.000 Mal mehr Licht als die Sonne,hat aber nur 17 mal mehr Energie-Inhalt, hat also 17 Mal mehr Wasserstoff, den er verbraten kann.Wenn Sie sich das überlegen: 40.000 Mal heller, aber nur 17 Mal mehr Energie. Das bedeutet: 40.000 dividiert durch 17 ergibt ungefähr 2.500. Das heißt, Riegel hat eine Lebenserwartung, die einem Zweieinhalbtausendstel der unserer Sonne entspricht. Er verbraucht 40.000 Mal mehr Energie, hat aber nur 17 Mal mehr Energiereserven.

Die Sonne lebt 10 Milliarden Jahre, Riegel lebt 2.500 Mal kürzer, das sind 4 Millionen Jahre. Das heißt,ein heißer Stern wie Riegel lebt nur 4 Millionen Jahre, dagegen unsrer Sonne 10 Milliarden Jahre.

Wenn Sie im Hertzsprung-Russell-Diagramm weiter runter gehen, wenn Sie einen Stern mit einer halben Sonnenmasse nehmen, dann lebt der 10 Mal länger als die Sonne, da er einfach sehr viel weniger Energie abstrahlt, auch wenn er nur die Hälfte hat. Der kann 50 Mill...

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• Noch 5 Milliarden Jahre