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.

Das Atom besteht aus einem Kern und einer Hülle. Der Kern besteht aus einer bestimmten Anzahl Protonen und genauso vielen Neutronen. In der Hülle muss es pro Proton ein Elektron geben, damit das Atom nach außen hin elektrisch neutral ist. Das einfachste Atom, mit dem das Leben eines Sterns beginnt, ist das Wasserstoffatom. Es besteht aus einem Elektron, einem Proton und einem Neutron.

Das vereinfachte Atommodell eines ...

Das vereinfachte Atommodell eines Wasserstoffatoms (Bild: Selbst erstellt)

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:

  • Sie verliert pro Sekunde 4 Millionen Tonnen Masse, weil diese in Energie umgewandelt wird. Das sind mehr als 100.000 Sattelschlepper.
  • Dabei werden 6 Millionen Tonnen Wasserstoff zu Helium verschmolzen.
  • Die Lebenserwartung der Sonne beträgt etwa 10 Milliarden Jahre. So lassen sich leicht die gigantischen Mengen ausrechnen, über die wir hier sprechen.

 

Die Sonne verliert pro Sekunde mehr als 100.000 solcher Sattelschlepper voller Materie (Bild: Gemeinfrei)

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.

Galaxien

Die meisten Sterne befinden sich in sogenannten Galaxien. Eine Galaxie wie unsere Milchstraße kann einige Millionen bis mehrere Hundert Milliarden Sterne enthalten. Die Sterne innerhalb einer Galaxie sind durch die Gravitation aneinander gebunden und bewegen sich um das Zentrum dieser Galaxie. Es wird davon ausgegangen, dass es etwa 100 Milliarden Galaxien und insgesamt 70 Trilliarden Sterne im Universum gibt.

Die Andromedagalaxie (Bild: NASA)

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.

Das Hertzsprung-Russell-Diagramm

Das Hertzsprung-Russell-Diagramm wurde 1913 von Henry Norris Russell aufbauend auf den Arbeiten von Ejnar Hertzsprung entwickelt. Es enthält die Leuchtkraft von Sternen und deren Spektralklasse. Aufgrund der Spektralklasse können weitere Schlussfolgerungen gezogen. In dieses Diagramm werden die Sterne selbst eingetragen und dabei können charakteristische Häufungen erkannt werden: Die meisten Sterne befinden sich auf der sogenannten Hauptlinie oder Hauptreihe, welche den gewöhnlichen Lebenszustand eines Sterns angibt.

Das Hertzsprung-Russell-Diagramm (Bild: Gemeinfrei veröffentlicht)

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.

 

Der hellste Stern ist der Erde am nahesten

Auch diese Feststellung, die auf den ersten Blick ebenfalls logisch anmutet, ist falsch. Der hellste Stern, den wir von der Erde aus sehen können, ist Sirius. Der Stern, welcher am nächsten zur Erde liegt, ist Proxima Centauri, den wir paradoxerweise nicht mit bloßem Auge erkennen können. Sirius ist nicht viel weiter entfernt als Proxima Centauri, aber er ist nicht der nächste Stern. Hier einmal die Entfernungen der beiden Sterne von der Erde:

  • Proxima Centauri: 4,2 Lichtjahre
  • Sirius (auch Hundsstern): 8,6 Lichtjahre

Diese vier Lichtjahre Unterschied sind für Menschen eine unglaublich große Strecke, aber nach kosmischen Maßstäben ist das nicht einmal ein Katzensprung. Aber warum ist der hellste Stern nicht der naheste? Das hat einfach mit seiner Leuchtkraft zu tun. Sirius ist wesentlich größer als Proxima Centauri und strahlt wesentlich mehr Licht ab, während Proxima Centauri nur eine sehr schwache Leuchtkraft hat.

Unsere Sonne - ein typischer Hauptreihenstern (Bild: NASA)

Darstellung der Sternbilder aus dem Jahr 1661 (Bild: Gemeinfrei, da urheberrechtliche Schutzfrist abgelaufen)

Sternbilder

Bereits die frühen Menschen haben Bilder am Himmel gesehen, indem sie Gruppen scheinbar naheliegender Sterne zu einer Figur zusammengefasst haben. Das konnten Tiere, Gegenstände oder mythologische Figuren sein. Entsprechend hat jede Kultur andere Sternbilder gesehen. Dabei liegen die Sterne nur scheinbar so nahe beinander, denn die wirkliche Entfernung kann sehr groß sein.

Seit jeher waren Sternbilder eine Möglichkeit zur Orientierung, denn zu einer bestimmten Zeit findet man immer die gleichen Sternbilder am Himmel. So gibt es auch Sternbilder, die nur im Winter zu sehen sind, und solche, die man nur im Sommer erblicken kann, Sternbilder der Nordhalbkugel und Sternbilder der Südhalbkugel. Das berühmte Sternbild Orion mit den drei markanten Gürtelsternen ist zum Beispiel nur auf der Nordhalbkugel im Winter zu sehen.

Da wir in einer genormten Welt leben, müssen sich auch die Sternbilder der Normierung unterordnen, denn in einer globalisierten Welt kann nicht jeder von verschiedenen Sternbildern sprechen. Eine Kommunikation unter Wissenschaftlern auf der ganzen Welt wäre unmöglich. Deswegen gibt es heute 88 Sternbilder, die von der IAU (Internationale Astronomische Union) definiert und anerkannt sind.

Dazu gehören mythologische Figuren wie Orion, Herkules oder Kassiopeia, Tiere wie Großer Bär, Hase oder die Jagdhunde, Gegenstände wie Luftpumpe, Mikroskop oder Leier, Berufe wie der Maler, der Bärenhüter oder der Bildhauer und viele mehr. Aber auch bei den Sternbildern gibt es ein häufiges Missverständnis auszuräumen.

Sternbild Andromeda (Bild: Orangeowl aus der deutschsprachigen Wikipedia)

Der Große Wagen (rot) und der Große Bär (rot und grün) (Bild: Gemeinfrei, da Urheberschutz erloschen)

Der Große Wagen wird manchmal auch Großer Bär genannt

Nein, liebe Leser, der Große Wagen, eines unserer wichtigsten Sternbilder, ist kein von der IAU anerkanntes Sternbild. Der Große Wagen umfasst die sieben hellsten Sterne des Großen Bären, das ein definiertes Sternbild ist. Im folgenden Bild habe ich die Sterne des Großen Wagens mit roten Linien verbunden und die restlichen Sterne des Großen Bären mit grünen Linien hinzugefügt. Das Bild stammt aus dem Sternaltas von Johann Elert Bode von 1782.

Autor seit 5 Jahren
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