Das Leben von Sternen: Kernfusion, Hertzsprung-Russell-Diagramm, Sternbilder

Das Lebenselixier der Sterne: die Kernfusion

Die Kernfusion ist die Umkehrung des Vorgangs in einem Atomkraftwerk. In den Atomkraftwerken werden Atomkerne gespalten und dadurch wird Energie freigesetzt. Bei der Kernfusion verschmelzen die Kerne miteinander. Dadurch entstehen wesentlich höhere Energien als durch Kernspaltung.

Damit der Prozess verstanden werden kann, muss der Aufbau von Atomen bekannt sein. Dabei genügt das einfache Bohrsche Atommodell. Ein Atom besteht aus drei verschiedenen Teilchen:

• elektrisch positiv geladene Protonen,
• elektrisch negativ geladene Elektronen und
• elektrisch neutrale Neutronen.

Sterne - interstellare Schnellkochtöpfe

Bei extrem hohen Temperaturen geschieht mit Atomen etwas Merkwürdiges: Die Elektronen trennen sich von den Atomkernen und die Kerne bewegen sich aufgrund der Hitze mit enormer Geschwindigkeit. Doch Atomkerne können niemals miteinander verschmelzen, denn sie sind nicht elektrisch neutral, sondern positiv. Gleiche elektrische Ladungen stoßen sich gegenseitig ab und so kann niemals ein Verschmelzungsprozess eintreten.

Doch in Sternen tritt der sogenannte Tunneleffekt auf. Bei diesem Effekt gelingt die Verschmelzung zweier Atome trotz der gleichen Ladungen. Es ist äußerst unwahrscheinlich, dass dies geschieht, aber durch die unvorstellbar große Menge an Wasserstoffatomen tritt der Effekt so oft auf, dass Sterne ständig gewaltige Energiemengen abstrahlen können.

Durch den Tunneleffekt kollidieren die Kerne miteinander und verschmelzen: Vier Wasserstoffatome verschmelzen zu einem Heliumatom. Bei diesem Prozess werden 70% der Masse in Energie umgewandelt. Für die Sonne ergeben sich die folgenden, unvorstellbar hohen Werte:

Und die Sonne ist nur ein mittelgroßer Stern. Es gibt Sterne, die um mehrere hundert mal größer sind als die Sonne.

Das entstandene Helium ist schwerer als Wasserstoff und sinkt nach unten in den Kern des Sterns, während außen weiterhin der Umwandlungsprozess stattfindet. Im Kern des Stern entsteht ebenfalls Druck, das Helium wird erhitzt. Irgendwann ist die Temperatur hoch genug, dass ein weiterer Brennofen entsteht: Das Helium-Brennen setzt ein und Helium wird zu Kohlenstoff fusioniert. Kohlenstoff ist schwerer als die anderen Elemente Wasserstoff und Helium und sinkt ebenfalls in den Kern herab.

Hat der Stern genügend Masse, so dass genügend Druck auf den Kern ausgeübt werden kann, können in mehreren Schichten mehrere Brennöfen erzeugt werden und damit mehrere Elementschmieden. Bei sehr großen Sternen können die Elemente bis Eisen erzeugt werden. Weitere Fusionsprozesse können nicht mehr stattfinden, da sie mehr Energie benötigen als erzeugt werden kann.

Untersuchung von Sternen durch das Sternspektrum

Wenn Licht durch einen engen Spalt durch ein Prisma fällt und dabei in seine Farbbereiche unterteilt wird, nennt man dies Spektrum. Dies kann natürlich auch mit Sternenlicht geschehen, indem man prinzipiell ein Prisma vor dem Objektiv des Teleskops montiert. Natürlich gibt es heute wesentlich ausgefeiltere Gerätschaften für diesen Zweck.

Durch die Untersuchung des Spektrums können Rückschlüsse auf die Oberflächentemperatur, die chemischen Elemente, die Leuchtkraft, die Rotationsgeschwindigkeit usw. gezogen werden, da jeder dieser Faktoren einen gewissen Einfluss auf das Spektrum hat.

Nach dem Aussehen ihres Spektrums werden Sterne in sogenannte Spektralklassen eingeteilt. Sterne bestimmter Spektralklassen haben ein bestimmtes Spektrum und enthalten somit ganz bestimmte Elemente, deren Häufigkeit sich aus dem Spektrum ablesen lassen. Die Spetralklassen werden folgendermaßen bezeichnet: O, B, A, F, G, K, M. Um sich diese Klassen merken zu können, gibt es mehrere Merksprüche, wie z.B:

• Oh, be a fine girl, kiss me.
• Offenbar benutzen Astronomen furchtbar gerne komische Merksprüche.

Innerhalb der Spetralklassen gibt es wieder eine Einteilung von 0 bis 9. So ist die Sonne bspw. ein Stern der Spektralklasse G2 (für jeden wichtig, der auf einer Party einmal angeben möchte). Durch die Entwicklung besserer Geräte wurden weitere Unterklassen gebildet, aber das soll für uns erst einmal ohne Belang sein.

Im Laufe seines Lebens "bewegt" sich ein Stern durch das Hertzsprung-Russell-Diagramm, wobei er die meiste Zeit auf der Hauptreihe verbringt. Welchen Weg er durch das Diagramm nimmt, ist durch seine Masse bestimmt, denn je nach Masse endet das Leben eines Sterns unterschiedlich.

Im Diagramm ist also zu erkennen, welche Entwicklungsstadien es bei Sternen gibt. Länger andauernde Entwicklungsstadien können häufiger beobachtet werden als kürzere. So gibt es neben der Hauptreihe einen Riesenast, dessen Sterne eine wesentlich größere leuchtende Oberfläche haben. Neben dem Riesenast gibt es noch Zweige mit den sogenannten Hellen Riesen und den Über- und Hyperriesen, die allerdings wesentlich seltener vorkommen. Neben den Riesen gibt es noch die Zwerge, welche sehr kleine Sterne bezeichnen.

Schauen wir uns einmal den Lebensweg eines Sterns an einem sehr prominenten Beispiel an: unserer Sonne. Die Sonne steht in der Blüte ihres Lebens und befindet sich zurzeit auf der Hauptreihe. Ihre Masse gibt den Weg vor, den sie in den nächsten Milliarden Jahren nehmen wird. Zuerst wird Sie sich aufblähen und ein Roter Riese werden, also in den Riesenast wandern. Anschließend wird sie in sich zusammenfallen und sehr viel Masse auf sehr engen Raum quetschen: Die Sonne wird ein Weißer Zwerg. Wie genau dies vonstatten geht, wird in einem weiteren Artikel geklärt werden. Sie sehen auf jeden Fall, dass wir den Lebensweg unseres Zentralgestirns durch das Hertzsprung-Russell-Diagramm verfolgen können.

Zwei häufige Missverständnisse über Sterne unserer Nachbarschaft - Der Polarstern ist der hellste Stern am Firmament

Das mag auf den ersten Blick richtig klingen, denn immerhin dürfte jedem die hohe Bedeutung des Polarsterns bekannt sein. Die Wahrheit jedoch ist, dass der Polarstern nicht der hellste Stern am Himmel ist. Seine Wichtigkeit hat einen ganz anderen Grund: Stellen Sie sich den Himmel als eine Kuppel über der Erde vor. Die Erde dreht sich unter dieser Kuppel und damit beobachten wir an einem bestimmten Standort, wie die Sterne auf- und untergehen. Der Polarstern jedoch steht nahe am Nordpol des Himmelszeltes und somit ist er immer zu sehen und immer an derselben Position. Also nicht die Helligkeit ist das Besondere am Polarstern, sondern nur seine Position am Himmel.