Read the book: «Geburt, Leben und Sterben der Sterne»

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Fachbereich ASTROPHYSIK

Geburt, Leben und Sterben der Sterne

Von Prof. Dr. Hanns Ruder

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.