Von der Geburt bis zum Tod der Sterne

Klaas S. de Boer


Themen:   Sternparameter   (Planck-Funktion;   Hertzsprung-Russell-Diagramm);   Sterntypen;   Sternentstehung;   Energie und Stabilität;   Lebenserwartung und Sternentwicklung;   Entwicklung der Sonne;   Entwicklung massereicher Sterne;   Supernovae;   Doppelsterne;   Kreislauf der Materie

Sternenhimmel und Verwunderung

Abends oder nachts, wenn man den Himmel betrachtet und die Dunkelheit auf sich einwirken lässt, kann man versuchen, die Tiefe des Universums zu spüren. Da gibt es das Band am Himmel, das wir nach der griechischen Mythologie Milchstraße nennen. Und viele, viele Sterne, helle und schwache, hier und da etwas unterschiedlich in der Farbe. Mal dicht beisammen, aber meistens weit verstreut. Man ist verführt, Verbindungen zu sehen oder Strukturen zu erkennen. Bewegt sich etwas? Oder steht alles still?

Wie weit sind die Sterne von uns entfernt? Sind sie kalt oder warm? Wieviel Licht wird abgestrahlt, und wo kommt die Energie dazu her? Wie lange leben Sterne? Und wie fängt ein Stern sein Leben an, wie sieht sein Lebensende aus? Gibt es auch Milchstraßen jenseits der unsrigen? Unzählige Fragen, die nach Jahrhunderten von Beobachtungen, Messungen und theoretischen Erkundungen im Zusammenspiel mit den Entdeckungen der Physik und anverwandten Wissenschaften beantwortet werden können.

Fig. 1: Der Ausschnitt des Sternenhimmels zeigt die Milchstraße, das Band am Himmel, das dokumentiert, dass die Sonne einer der vielen Sterne unserer Scheibengalaxie ist. (Bild erarbeitet am STScI; NASA/ESA). Link zu Aufnahmen der Milchstraße,

Sterne sind sehr vielfältig, sind sehr unterschiedlich, und sie haben ebenfalls sehr verschiedene Lebensläufe. Dies hängt entscheidend mit der ursprünglichen Beschaffenheit des jeweiligen Sterns zusammen. Diese Vielfalt in der Kürze komplett darzustellen ist unmöglich. Am besten schaut man sich typische Vertreter größer Untergruppen und Lebensläufe an. Eines unserer Beispiele wird die Sonne sein, da die Sonne eben für uns so bedeutsam ist und immer wieder das Referenzobjekt im Vergleich mit anderen Sternen. Das andere Beispiel ist ein Stern mit großer Masse, so etwa 20 mal so schwer wie die Sonne, da ein solcher Stern eben einen typisch anderen Lebenslauf hat.

Aber vorab muss geklärt werden, wie wir die Sterne charakterisieren können. Was wird gemessen und welche wichtigen Einblicke liefert dies?

Sternparameter

Sterne sind, von uns aus gesehen, unterschiedlich hell. Dies kann auf Unterschiede in der Menge der abgestrahlten Energie oder aber auf Unterschiede in der Entfernung zurückgehen. Um dies zu klären, müssen wir die Entfernungen der Sterne messen!

Die Entfernungen der nahen Sterne werden mit Hilfe der Trigonometrie bestimmt. Wegen des Umlaufs der Erde um die Sonne können wir nahe Sterne aus unterschiedlicher Richtung sehen. Ein naher Stern scheint sich im Jahresrhythmus vor dem Hintergrund der weit entfernten Objekte zu bewegen, die sogenannte parallaktische Bewegung.

Mit dem bekannten Abstand Erde-Sonne kann jetzt mit Hilfe des so definierten Dreiecks die Entfernung zum Stern berechnet werden. Die Entfernung wird von Astronomen mit dem Wort Parsec (von Parallax-Sekunde) angegeben. Ein Parsec (pc) entspricht 3 x 1013 km (oder 3 Lichtjahre). Astronomen haben dann verabredet dass, zum besseren Vergleich der Sterne untereinander, die Helligkeiten auf eine Entfernung von 10 pc umgerechnet wird. Die Helligkeit des Sterns in einer solchen Entfernung nennt man die `absolute Helligkeit'.

Die Temperatur der Sterne kann auf verschiedene Arten bestimmt werden. Grundlegend ist die Methode, die auf dem Planckschen Strahlungs-Gesetz basiert. Alle Objekte strahlen sogenannte Wärmestrahlung (oder Plancksche Strahlung oder Schwarzkörperstrahlung) ab. Zum Beispiel leuchten Menschen, Häuser und Kochplatten im dunklen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Eine Glühbirne, das heiße Hufeisen beim Schmieden und Sterne sind dagegen auch im sichtbaren Teil des Spektrums zu sehen. Die abgestrahlte Energie hat eine sehr gut definierte Verteilung über die Frequenzen (oder Wellenlängen) des Lichtes. Sie wird am besten in einer Grafik mit doppel-logarithmischen Skalen dargestellt, da sonst die Grafik viel zu klein wäre, um große Unterschiede in der Temperatur darstellen zu können.

Fig. 2: Die Planck-Funktion beschreibt, wieviel Energie eine Einheitsfläche einer gewissen Temperatur T in den unterschiedlichen Frequenzbereichen (oder Wellenlängenbereichen) ausstrahlt. Die Kurven sind mit der jeweiligen Temperatur markiert; die Kurve ohne Zahl ist die für 3000 K, die Kurve von 300 K entspricht etwa die Temperatur der Erde. Zu höheren Temperaturen steigt die abgestrahlte Gesamtmenge der Energie rasant, und zwar mit T4. Da dieser große Anstieg schwer in einer `normalen' Grafik darstellbar ist, wird meistens eine `logarithmische' Darstellung gewählt. In einer derartigen Darstellung bleibt die Form der Kurven der Planck-Funktion bei unterschiedlichen Temperaturen gleich, die Maxima der Kurven verschieben sich proportional zur Temperatur zu höheren Frequenzen (niedrigen Wellenlängen). Der vertikale Streifen deutet den sichtbaren Bereich des Spektrums an.
Sterne strahlen nahezu gemäß der Planck-Funktion. Sterne existieren in einem sehr großen Temperaturbereich, der von kühl (etwa 3000 Grad Kelvin), über mittelmässig heiß wie die Sonne (etwa 6000 Grad) bis sehr heiß (bis über 100000 Grad) reicht. Heißere Sterne strahlen mehr blaues als rotes Licht ab. Dadurch erscheint uns ein kühler Stern rötlich, ein heißer Stern bläulich. Die Steigung so wie sie im Spektrum gemessen werden kann (angedeutet von Querlinien bei den Kurven von 3000 K und 104 K) korreliert mit der Temperatur. Insbesondere die Steigung zwischen den Farbfilter-Bereichen B und V liefert den Farbindex (B-V), der in Fig. 3 (das HRD) verwendet wird. (Diagramm erstellt von T. Kaempf und M. Altmann, Stw. Uni Bonn)

Die Form der Planck-Funktion zeigt, dass bei Messungen im sichtbaren Teil des Spektrums für große Bereiche der Temperatur die Steigung der Funktion eindeutig mit der Temperatur zusammenhängt. Aus Messungen der Helligkeit durch Glasfarbfilter im blauen (B) und im gelben (V) wird so das Helligkeitsverhältnis zwischen B und V (die Steigung der Planck-Funktion) bestimmt. Dieses Verhältnis wird durch den `Farbindex' B-V charakterisiert, der als Maß für die Temperatur dient.

Heiße Sterne strahlen viel blaues (und ultraviolettes) Licht und weniger rotes ab, kühle kaum blaues und daher vorwiegend rotes Licht. Die Farbe der Sterne ist somit ein Hinweis auf die Temperatur: blaue Sterne sind heiß, rote sind kühl. Mit etwas Geduld und Übung können die meisten Menschen (in dunkler Gegend, keine Straßenbeleuchtung!) Farbunterschiede bei Sternen (z.B. im Sternbild Orion) feststellen!

Eine andere Möglichkeit, die Temperatur zu bestimmen, basiert auf der Struktur der Atome in der Sternatmosphäre. Um den Atomkern befindet sich eine an das Atom gebundene Gruppe von Elektronen, so wie Bohr es in seinem Modell beschrieben hat. Jedes Elektron befindet sich auf einem quantisierten Energieniveau. Ein Atom kann Lichtquanten (Photonen) absorbieren, und die Energie des absorbierten Photons bringt ein Elektron auf einen höheren Energiezustand. Das Licht fehlt dann in unserer Messung und man sieht eine Absorptionsstruktur im Spektrum des Sternlichtes. Das Atom kann diese Zusatzenergie auch wieder abstrahlen. Bei erhöhter Temperatur befinden sich die Elektronen durchweg auf höheren Energiestufen. Dies führt zu anderen Absorptionsstrukturen im Sternlicht, so dass aus diesen Strukturen die Temperatur abgeleitet werden kann.

Atome können bei höheren Temperaturen auch ionisiert sein. Die Elektronen der Ionen haben jeweils eigene Energiestufen, die ebenfalls eigene Absorptionsstrukturen haben. Wiederum wird daraus die Temperatur des Gases erkennbar.

Die Strukturen in den Spektren der Sterne sind also unterschiedlich, je nach Temperatur der Sterne. Die Sterne können mit Hilfe der Spektren nach Spektraltyp oder eben nach dem Farbindex sortiert werden (beide hängen mit der Temperatur zusammen). Wenn darüber hinaus die Entfernung bekannt ist, kann man die Sterne auch nach absoluter Helligkeit sortieren. Das Diagramm, das auf diese Weise entsteht, wird nach den Entdeckern das Hertzsprung-Russell Diagramm (HRD) genannt.

Die Gesamtmenge der über alle Frequenzen abgestrahlten Energie (Integration der Planck-Funktion) ist proportional zur vierten Potenz der Temperatur, also T4. Das heißt, ein Stern der an der Oberfläche 2 mal so heiß ist wie sein gleich großer Nachbar, strahlt insgesamt 24= 16 mal soviel Energie ab! Die beste Methode, die Gesamtenergie zu bestimmen, ist natürlich, die abgestrahlte Energie bei allen Frequenzen (oder Wellenlängen) zu bestimmen. Man braucht Satelliten um den Ultraviolett- und den Infrarotteil der spektralen Energieverteilung zu messen, da die Erdatmosphäre für diese Wellenlängenbereiche nicht durchlässig ist. Für viele Sterne ist dies seit Beginn der Raumfahrt gelungen.

Die wirklich relevanten Parameter der Sternoberfläche sind Temperatur, Sternradius und die Leuchtkraft. Die Leuchtkraft L eines Sterns ist gleich dem Produkt von Oberfläche (4 pi R2) und integrierter Planck-Funktion der jeweiligen Temperatur (sigma T4). So kann man aus gemessener Entfernung und spektraler Energieverteilung den sonst schwer messbaren Radius R ableiten.

Fig. 3 Das HRD: Die beobachtbare Farbe eines Sterns (oder Farbindex B-V) sowie die für die Entfernung korrigierte Helligkeit im Visuellen (`absolute' Helligkeit MV) werden benutzt, um die Unterschiede in den Eigenschaften der Sterne darzustellen. Das Diagramm zeigt das Ergebnis für Sterne der Sonneumgebung. Die Farbigkeit im Diagramm ist ein Maß für die Dichte der Datenpunkte im jeweiligen Bereich.
Derartige Diagramme entstanden zum ersten Male am Anfang des 20.Jh., z.T. auch unter Verwendung des Spektraltyps (anstelle der Farbe B-V). Ein derartiges Diagramm wird nach den damaligen Forschern im Allgemeinen Hertzsprung-Russell-Diagramm genannt.
Die Farbe der Sterne ist unmittelbar mit der Steigung der Planck-Funktion (siehe Fig. 2) im sichtbaren Bereich des Spektrums verknüpft, die Helligkeit ist mit der Gesamtleuchtkraft des Sterns verbunden. Sterne mit gleicher Farbe aber unterschiedlicher Helligkeit müssen daher unterschiedlich groß (ausgedehnt) sein.
Die Eintragungen in diesem HRD, so wie sie aus den Messungen mit dem Hipparcos-Satelliten abgeleitet wurden, zeigen die Vielfalt der möglichen stellaren Eigenschaften, aber auch, dass einige Sternarten nicht oder nur selten vorkommen. Die Sterne auf dem Streifen von rechts unten bis links oben sind die Sterne der `Hauptreihe', Sterne im Streifen von der Mitte nach rechts oben sind die `Roten Riesen'. Der Klumpen mit Sternen halbwegs auf dem Riesenast sind die roten `Horizontalaststerne'. Die verwendeten Namen der Sterntypen charakterisieren zum Teil die äußere Erscheinungsform, aber oft nur die Lage im HRD. Dabei bildet das Hauptreihenstadium, in der im Zentrum der Sterne Fusion von H-Atomen zu He-Kernen (siehe Fig. 4) stattfindet, die Hauptlebensphase, etwa 90% eines Sternlebens. (Fig. ESA, Hertzsprung-Russell-Diagramm aus dem öffentlichen Datenarchiv des Hipparcos-Projekts)

Sterntypen

Das HR-Diagramm ist nicht gleichmässig mit Sternen (Datenpunkten) gefüllt. Viele Sterne haben Eigenschaften an der Oberfläche, die zu einer Anordnung der Datenpunkte in einem Streifen im HRD führt. Dies ist die sogenannte Hauptreihe der Sterne. Dann findet man viele Sterne im roten Teil in einem auf große Helligkeit zugehenden Streifen. Da diese Sterne nahezu gleicher Temperatur sind, können sie nur deswegen so unterschiedliche Lichtmengen abstrahlen, weil sie sehr unterschiedliche Radien haben. Die großen, roten Sterne sind die sogenannten `Roten Riesen'. Entsprechend findet man links unten im Diagramm die `Weissen Zwerge'. Bei weiterer Unterteilung können Überriesen, Unterzwerge, und viele weitere Typen benannt werden. Es gibt auch Gebiete im HRD, wo die äußeren Schichten der Sterne nicht stabil sind. Sie strahlen sich ändernde Lichtmengen ab, es sind `Veränderliche Sterne'.

Die große Vielfalt an beobachteten Typen macht die große Bandbreite des möglichen Aufbaus der Sterne deutlich. Viele dieser Typen treten im Laufe der Entwicklung eines Sterns auf. Die vielen Typen stehen in Zusammenhängen, die mit Hilfe der Modelle zur Sternentwicklung erforscht werden. Aber ein Stern muss zuerst einmal entstehen.

Sternentstehung

Sterne entstehen in kalten, dichten, dunklen, interstellaren Gaswolken. Am Himmel sind solche Gebiete erkennbar, wenn man sie in Richtung der Milchstraße sucht. Dunkle Gebiete in der Milchstraße sind solche interstellaren Gaswolken, die mit ihrem Gehalt an staubigem Material das Licht von dahinter liegenden Sternen abschatten. In solchen Wolken findet man auch Moleküle verschiedener Art, vielleicht sogar gröbere Strukturen, die Schneebälle genannt werden, vermutlich auch Kerne von Kometen.

Wenn die Wolken kalt und dicht genug sind, können sich Sterne bilden. Bei nahezu allen Sternen werden auch Planeten erwartet. Sie nachzuweisen ist sehr schwer, da sie eben selber kein Licht abstrahlen. Und die Menge des vom anleuchtenden Stern reflektierten Lichtes ist so klein, dass ein Planet neben dem Stern selber nahezu unsichtbar ist.

Energie und Stabilität

Sterne strahlen große Mengen an Energie ab. Woher kommt diese Energie und wie kann ein Stern dennoch stabil sein?

Es gelang erst Mitte des 20.Jh, eine schlüssige Theorie für die Energieproduktion in Sternen zu entwickeln. Bei Temperaturen um 10 bis 100 Millionen Grad im Sterninneren sind die Elektronen der Atome völlig frei beweglich. Die daher nackten Atomkerne können einander begegnen. Wenn der Zusammenstoß kräftig ist, können Atomkerne zu einem neuen Atomkern verschmelzen. Dieser Prozess heißt Kernfusion.

Sterne enthalten zu etwa 90% Wasserstoff, etwa 9% Helium (zahlenmässige Anteile), alle anderen Elemente, die von den Astronomen `schwere Elemente' oder sogar `Metalle' genannt werden, machen weniger als 1% aus. Es gelang Bethe und von Weizsäcker 1937, mit Hilfe kernphysikalischer Erkenntnisse den genauen Fusionsprozess, der die Energie der Sonne liefert, zu finden. Zwei H-Atome (Protonen, p) verbinden sich zu Deuterium (D), ein H und ein D verbinden sich zum Heliumisotop 3He, und zwei 3He Kerne verbinden sich zu 4He unter Abgabe von zwei Protonen. Insgesamt verschmelzen so vier Protonen zu einem 4He unter Freisetzung von Energie. Dieser Fusionsprozess heißt die p-p Kette (Fig. 4).

Fig. 4: p-p Kette: Der bei weitem wichtigste Prozess der Kernfusion im Inneren der Sterne ist die Fusion von Wasserstoff zu Helium über die sogenannte p-p Kette. Darin kommen zwei Wasserstoffkerne, Protonen (p), zur Fusion und werden zu Deuterium (D), Deuterium verschmilzt mit einem Proton und wird zu leichtem 3He, zwei 3He-Kerne fusionieren zu einem normalen 4He-Kern unter Freigabe von 2 Protonen.
Die Wasserstoff-Fusion liefert die Hauptmenge der Energie, die Sterne in ihren Leben abstrahlen. Diese Fusion findet vorwiegend in denjenigen Sternen statt, die im sogenannten Hauptreihenstadium (siehe Fig. 3) der Entwicklung sind. (Diagramm aus Staguhn G., 2000, Die Jagd nach dem kleinsten Baustein der Welt; Hanser Verlag)

Wenn die Sonne ihren ganzen Wasserstoffvorrat über die p-p Kette umsetzen könnte, so würde dies etwa 100 Milliarden Jahre dauern! Aber die Gase der Sonne sind nur im Zentrum heiß genug für Fusion. Darum beträgt die Gesamtlebenszeit der Sonne nur etwa 1/10 davon, knapp 10 Milliarden Jahre. Auf alle Fälle wurde klar, dass Sterne im Hauptreihenstadium sehr alt werden können.

Bei Temperaturen über 100 Millionen Grad im Sterninneren werden weitere Fusionsprozesse ermöglicht. So kann dann effektiv aus drei 4He-Kernen das Kohlenstoffatom 12C gebildet werden, oder aus He und C bildet sich Sauerstoff (O). Und bei höheren Temperaturen ist erst die Bildung schwerer Kerne wie Na, Mg, Si oder sogar Fe möglich. Aus diesen Erkenntnissen der Kernphysik und Astrophysik ging hervor, dass in Sternen schwere Elemente gebildet werden. Im Urknall kamen solche schweren Elemente nicht zustande. Daraus ergab sich, dass unser menschlicher Körper mit seinem C, O, Ca, usw aus in Sternen gebildetem Material zusammengesetzt ist. Wie die schweren Elemente vom Stern preisgegeben werden? Das wird unten bei Supernovae beschrieben.

Die Stabilität eines Sterns ist wegen der hohen inneren Temperaturen eigentlich erstaunlich. Sterne sind dennoch stabil, wie wir täglich und nächtlich sehen. Sie sind stabil auf Grund des dauerhaften Gleichgewichts von Schwerkraft und innerem Gasdruck.

Die Schwerkraft bewirkt, dass alles Material des Sterns (die gesamte Masse M) zum Zentrum hin gezogen wird. Die Temperatur der Gase im Inneren bewirkt aber ein Drängen nach außen. Dabei kann es auch zu Strömungen im Stern kommen. Dieses Wechselspiel ähnelt dem in der Erdatmosphäre: die Schwerkraft hält die Luft bei der Erde, bei Sonnenwärme quillt die Luft auf und bildet Quellwolken, aber alles bleibt zusammen. Allerdings werden die genauen Zusammenhänge in Sternen durch die genauen Eigenschaften des Sterngases bestimmt.

Lebenserwartung der Sterne und Sternentwicklung

Wie lange lebt nun ein Stern? Als Erstes kann man sagen, dass mit mehr Masse es mehr Brennmaterial gibt und der Stern daher länger leben wird. Allerdings wenn er kräftiger leuchtet, wird das Material schneller verbraucht. Daher gilt

Lebenserwartung ~ Masse / Leuchtkraft

ähnlich wie bei einem Kohleherd. Für die endgütige Beantwortung der Frage ist eine Eigenschaft der Fusionsprozesse wichtig: Je höher die Temperatur im Fusionsbereich, um so schneller verlaufen die Fusionsprozesse, sogar sehr viel schneller. Dies hat Konsequenzen für die Lebenserwartung eines Sterns.

Stellen wir uns jetzt einen Stern wie die Sonne vor. Wie würde sich dieses Objekt ändern, wenn wir eine Menge an Material gleich der Masse der Sonne (1 Mo) hinzupacken würden? Bei doppelt soviel Masse gibt es grobweg doppelt soviel Gravitationskraft. Dies erfordert vielleicht einen zweimal so hohen inneren Gasdruck, um den Stern im Gleichgewicht zu halten. Gemäß den allgemeinen Gasgesetz wäre dies mit einem Temperaturanstieg um einen Faktor zwei erreichbar. Und genau so funktioniert es. Die Kernfusion nimmt durch erhöhte Temperatur zu, und dadurch steigt die produzierte Energiemenge kräftig. Die Eigenschaft des Sterngases ist eben so, dass immer genau die richtige Bilanz erreicht wird.

Die erhöhte Temperatur selber hat aber auch Konsequenzen. Bei erhöhter Temperatur wird die Kernfusion viel ergiebiger, und zwar derart viel ergiebiger, dass trotz des Faktors zwei der Stern sehr viel schneller sein H zu He verwandelt.

Genauere Modellierung zeigt, dass die Leuchtkraft L eines Hauptreihensterns etwa proportional M3 ist (siehe auch L~M3). Daraus ergibt sich dann als Lebenserwartung der Sterne

Lebenserwartung ~ Masse / Leuchtkraft ~ 1 / Masse 2

so dass ein massereicher Stern eine deutlich kürzere Lebenserwartung hat als einer der mit wenig Masse anfängt! Die Sonne mit 1 Mo wird etwa 9 Milliarden Jahre als Hauptreihenstern leben, ein Stern mit 20 Mo nur etwa 25 Millionen Jahre.

Wenn sich im Sterninneren H zu He verwandelt, nimmt der Anteil an He gegenüber H zu. Im Laufe der Zeit wird es im Zentrum nur noch He geben (und die 1% an anfänglichen schweren Elementen). Die Struktur des Sterns passt sich nun so an (Sternentwicklung !), dass die Fusion von H zu He in einer Schale um den dann (was die Kernfusion anbelangt) inaktiven Kernbereich weiterläuft. Dabei, so wurde modelliert, bläht sich die Sternhülle stark auf: Der Stern wird zum Roten Riesen! Diese theoretische Berechnung erklärt somit unmittelbar die Art und die Eigenschaften der roten Riesensterne: Es sind Sterne mit Schalenbrennen, in einer Entwicklungsphase nach dem Hauptreihenstadium. Das Riesenstadium dauert allerdings verhältnismäßig kurz, nur etwa 10% der Dauer des Hauptreihenstadiums.

Durch die H-Fusion der umgebenden Schale wird dem Kernbereich ständig He hinzugefügt. Der He-Zentralteil nimmt an Masse zu, ist kompakter als vorher (als es noch vorwiegend Wasserstoff war), und das Helium ist somit heißer. Irgendwann ist die Temperatur im Zentrum hoch genug, dass auch He zur Fusion kommt und Kohlenstoff entsteht. Damit hat der Stern wieder eine innere Energiequelle und die Gesamtstruktur wird angepasst. Der Stern wird kompakter und erscheint uns wieder bläulicher.

An dieser Stelle muss die Besprechung der Sternentwicklung abgebrochen werden, da es eben eine Verzweigung bei der weiteren Beschreibung gibt. Sterne wie die Sonne, gehen einen bestimmten Entwicklungsweg, ein Stern mit 20 Mo einen deutlich anderen.

Entwicklung der Sonne

Die Sonne entstand durch gravitatives Zusammenziehen des Gases einer Dunkelwolke. Um sie herum befand sich noch kalte Materie, aus der allmählich auch die Planeten und Kometen entstanden. Die Sonne ist im Hauptreihenstadium. Sie befindet sich heute etwa auf der Hälfte der Hauptreihenlebenszeit von 9 Milliarden Jahren.

In 4.5 Milliarden Jahren wird die Sonne sich allmählich zu einem Roten Riesen entwickeln. Der Ablauf kann folgendermaßen skizziert werden: Die Menge an Material, das an der Fusion teilnimmt wächst stetig, da durch den langsamen Anstieg der Bereich, der eine für die Fusion ausreichend hohe Temperatur hat, immer größer wird. Die brennende Schale frisst sich gewissermaßen nach außen und die produzierte Menge an Energie wächst dementsprechend. Dadurch wird sich die Oberfläche ausdehnen und auf Dauer sogar bis zu etwa der Marsbahn reichen. Die Hülle wird dann allerdings derart dünn sein, dass die Erde ihre Umläufe um die (oder jetzt eher in der) Sonne ungestört fortsetzen kann. Die Erdatmosphäre wird bis dahin aber längst im Sonnengas aufgenommen sein. Und der irdische Himmel wird mit einer Temperatur von 3000 Grad hellrot strahlen. In diesem Riesenstadium verliert die Sonne selber über den sogenannten Sonnenwind eine erhebliche Menge an dem gravitativ nur schwach gebundenen äußeren Material.

Am Ende des Riesenstadiums - der Stern hat dann fast die Hälfte der Anfangsmasse über den Wind abgegeben - entzündet sich im Sonneninneren das Helium. Der Stern schrumpft und wird an der Oberfläche etwa 8000 Grad heiß werden. Die Leuchtkraft kehrt zurück zu einem viel niedrigeren Niveau als sie es im vorherigen Riesenstadium hatte, ist aber etwa 100 mal größer als die der Sonne heute. Dieses Stadium nennt man Horizontalaststadium, nach der Anordnung solcher Sterne im HRD. Es dauert so etwa 100 Millionen Jahre. In dieser Zeit wird im Zentrum durch Kernfusion aus He das C gebildet. Dabei wird die Fusion im Zentrum erneut zur Fusion in einer Schale. Der Stern bläht sich allmählich erneut auf, verliert wieder Oberflächenmaterie, bis auch die Fusion des He endet. Der Stern bleibt nun ohne innere Energiequelle zurück, damit fehlt es an inneren Druck, und der Stern schrumpft. Dabei wird die Oberfläche so heiß, dass eine erhebliche Menge UV-Strahlung freigesetzt wird. Diese nun ionisiert und erhitzt das vorher abgeblasene Gas, das dadurch zu leuchten anfängt. Die leuchtenden Gase nennt man einen Planetarischen Nebel.

         

Fig 5: Planetarischer Nebel. Sterne wie die Sonne werden am Ende des Hauptreihenstadiums allmählich größer und entwickeln sich zum Roten Riesen. Die äußeren Schichten eines roten Riesensterns sind gravitativ nur schwach an den Stern gebunden und gehen zum Teil in Form eines Sternwindes verloren. Wenn der Reststern in einer späteren Phase schrumpft und seine Oberfläche dabei heiß wird, können die abgeblasenen Gase angeleuchtet und zum Strahlen angeregt werden. Die dünnen Gase um einen Reststern bilden oft wunderschöne Strukturen, die (hier liegt eine Fehldeutung der frühen Astronomie vor) Planetarische Nebel genannt werden. Der hier abgebildete PN ist Objekt M 57, der Ring-Nebel im Sternbild Leier. (Aufnahme mit dem HST; NASA/ESA).

Schließlich wird der Stern langsam herunterkühlen und über das Stadium eines Weißen Zwergs bis zu einem kalten unsichtbaren Objekt werden, ein stellarer Überrest, mit einem Zentrum aus C, darum herum eine Hülle aus He, und vielleicht an der Oberfläche noch etwas H.

Entwicklung massereicher Sterne

Alle Sterne entstehen in Dunkelwolken. Massereiche Sterne brennen H zu He, werden dann zu Sternen, die in einer Schale um das Zentrum H zu He fusionieren, wobei sie sich, wie vorhin bei der Sonne beschrieben, zu roten Riesen ausdehnen. Das Schalenbrennen (Wasserstoff zu Helium) reichert den Kern mit Helium an, der immer dichter und heißer wird, bis im Zentrum die Fusion von He zu C beginnt. Seine äußeren Merkmale haben sich bei all diesen Entwicklungen auch geändert, Änderungen die man als "Entwicklungswege" in einem HR-Diagramm eintragen kann. Im Laufe der Zeit ist das Gas im Zentralgebiet derart mit C angereichert, dass die He-Fusion nur in einer Schale fortgesetzt werden kann. Erneut wird der Stern zu einem Roten Riesen und wieder verliert er über Sternwinde Material der Oberfläche.

Je größer die Anfangsmasse, um so besser bleibt das Hüllenmaterial gebunden und um so mehr können weitere Fusionsprozesse anlaufen (je mehr Masse, um so höher die innere Temperatur). Und um so mehr können weitere schwere Elemente erzeugt werden. Reicht die Masse aus um auch das C zu entzünden, dann wird der Stern eine schnelle Abfolge von Strukturänderungen antreten, die erneut zu einer stabilen Struktur führen. Auf Dauer wird die Struktur des Sterns etwa wie die einer Zwiebel mit vielen Schalen, die Schale um Schale Fusion haben oder ruhig sind. Die Entwicklung endet aber mit der ultimen Änderung, mit der Supernovaexplosion.

Supernovae

In massereichen Sternen wird das Material im Zentrum durch die ständig fortschreitende Kernfusion immer weiter mit schweren Elementen angereichert und die Zentraltemperatur steigt immer mehr. Die Atome dort sind völlig ionisiert, die postiv geladenen Atomkerne haben keine negativ geladenen Elektronen mehr in fester Bindung. Die Atomkerne selber sind aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen zusammengesetzt. Dennoch ist der Gasdruck sehr hoch, und die Atomkerne sowie Elektronen stoßen sehr oft aneinander bei hoher Energie.

Im kritischen Moment (sehr hoher Druck, sehr hohe Temperatur) fangen Protonen die freien Elektronen ein und werden zu Neutronen. Bei jedem dieser Kombinationsvorgänge wird die Teilchenzahl von zwei auf eins reduziert. Da viele Protonen Elektronen einfangen, wird die Teilchenzahl im Zentrum schnell kleiner, oder besser, durch die Reduktion der Teilchenzahl dringen Atome der Außenbereiche in den Zentralbereich des Sterns. Der Stern fängt an zu implodieren.

Im Inneren bilden sich aus den Protonen der Atomkerne durch Elektroneneinfang Neutronen. Das Sterninnere `neutronisiert'. Da Neutronen keine Ladung haben, können sie ganz dicht aufeinander existieren, viel dichter als Atomkerne. Dieser Zentralbereich voller Neutronen erreicht insgesamt eine Masse von etwa 2 Sonnenmassen, die dann aber in einem kugelförmigen Volumen mit einem Radius von nur etwa 10 Kilometern enthalten sind.

Die auf diese harte neutronisierte Kugel herunterfallenden äußeren Schichten türmen sich in kürzester Zeit gigantisch auf. Dabei entstehen auch solche Atomkerne, deren Bildung Energie braucht, also endotherme Bildung der schweren Kerne wie Uran usw. Diese aufprallenden Schichten bekommen aber auch einen Rückstoß, so dass sie wieder nach außen katapultiert werden. Damit wird die ganze restliche Hülle weggeschleudert. Die alte heiße Sternoberfläche dehnt sich aus, gewinnt an Fläche und kann daher innerhalb weniger Tage sehr viel stärker strahlen. Der Stern strahlt dann die tausendfache Energiemenge wie vorher ab. Ein Stern dem dieses widerfährt, wird wegen des extremen Anstiegs der Helligkeit, wodurch ein vorhin sehr schwaches Sternchen plötzlich gut sichtbar wird, eine Supernova (sehr heller neuer Stern) genannt.

Die weggeschleuderte Materie verstrahlt nun allmählich ihre Energie und der Rest-Stern wird immer schwächer. Bis er wieder so schwach wie vor der Explosion ist, vergeht mehr als ein Jahr. Der im Zentrum gebildete neutronisierte Überrest bildet einen Neutronenstern. Da Sterne meistens rotieren, muss bei der Implosion wegen Erhalt des Drehimpulses die Rotation des Kernbereichs stark beschleunigt werden, ähnlich zu einer sich drehenden Ballerina, die ihre Arme einzieht. Der Neutronenstern dreht sich mit einer Rotationsfrequenz von fast Tausend Umdrehungen pro Sekunde.

Derartige Supernovaereignisse werden (gemäß der historischen Einteilung der Supernovae) Supernovae des Typs II genannt.

Diese fantastischen Phänomene hat man alle beobachten können. Zwar nicht an einer Supernova alleine, sondern an einigen, die vor kurzer oder längerer Zeit explodierten. Insbesondere die rotierenden Neutronensterne sind gut bekannt. Sie produzieren aus begrenzten Gebieten an ihrer Oberfläche Strahlung, die wegen der schnellen Rotation bei uns als stark gepulste Strahlung beobachtet wird. Solche Objekte wurden 1967 entdeckt und heißen Pulsare. Die bekanntesten Supernovae sind die Supernova SN 1987A in der Großen Magellanschen Wolke, und die Supernova vom Jahr 1054, deren Überrest als Krebsnebel bekannt ist.

           

Fig 6: Supernovae. Supernovae sind massereiche Sterne, die am Ende ihres Lebens explodieren und sich wegen der sehr schnell größer werdenden Oberfläche sehr aufhellen. Bei der Explosion wird heißes Material der äußeren Sternhülle weggeschleudert. Dieses Material verglüht allmählich und vermischt sich mit Gas der interstellaren Umgebung. Die Bilder zeigen zwei bekannte Supernova-Überreste.
Links: Supernova 1987A mit den durch die Explosion aufgehellten Gasringen des Vorsterns (Aufnahme mit dem HST; NASA/ESA).
Rechts: Der Krebsnebel, der Überrest einer Explosion aus dem Jahre 1054, in dessen Zentrum ein Pulsar steckt (Aufnahme ESO).

Supernova-Explosionen können aber auch auf Prozesse bei der Entwicklung der Sterne mit weniger Masse zurückgehen. Dafür ist dann aber ein Doppelstern notwendig.

Viele Sterne befinden sich in Doppelsystemen, wobei in diesem Falle die beiden Sterne meistens eine ähnliche Masse haben. Der Schwerere entwickelt sich aber doch schneller und wird als erster zum roten Riesen. Das von ihm über den Sternwind freigesetzte Material wird vom anderen gravitativ aufgesammelt. Seine Entwicklung beschleunigt sich nun durch die zugenommene Masse. Im ersten Stern ist die Entwicklung dann allerdings bereits zum Stadium des Weißen Zwergs vorangeschritten.

Wenn der Zweite nun auch das Rote Riesenstadium antritt, wird er Materie über seinen Sternwind abgeben. Jetzt sammelt der ursprünglich schwerere Stern einen Teil dieses Materials wieder auf und seine Masse steigt. (Das Innere ist darauf aber nicht vorbereitet. 2005.07.21: Satz schlecht formuliert; besser ist:) Das Innere hat eine Struktur derart (Entartung der Materie), dass trotz zunehmende Gesamtmasse der Radius des Sterns kleiner wird (starke Erhöhung der innere Dichte) und eine ruhige Weiterentwicklung nicht möglich ist. Die Temperatur im Zentrum voller C-Kerne steigt wegen des zunehmenden Drucks so schnell, dass die Kernfusion explosiv einsetzt und der Stern dadurch komplett auseinander fliegt. Supernova!

Dies ist ein Supernova-Ereignis des Typs Ia. Die Bedeutung dieses Typs liegt auch darin, dass Supernovae dieser Art alle die gleiche maximale absolute Helligkeit erreichen. Man kann daher aus der beobachteten maximalen Helligkeit ganz einfach die Entfernung des Objekts berechnen. So weiß man dann ganz genau, wie weit die Supernova von uns entfernt war und daher wie weit deren Heimatgalaxie entfernt ist. Solche Entfernungsbestimmungen sind von großer Bedeutung für die Kosmologie, da man mit Hilfe solcher Entfernungen Genaueres über die Expansion des Universums erfahren kann.

Kreislauf

Sterne bilden sich in den dichten Gaswolken der Galaxis. Dabei wird eine Menge des gasförmigen Materials in den Sternen aufgesogen. Aber über kurz oder lang - je nach Entwicklungsweg des Sterns schon nach einer Million oder erst nach 10 Milliarden Jahren - wird ein erheblicher Bruchteil des Sternmaterials an den interstellaren Raum zurückgegeben. Dieses Material ist mit Produkten der Kernfusion angereichert. Auf diesem Weg wird das interstellare Gas der Galaxis immer reicher an schweren Elementen.

In kühlendem Gas finden schwere Elemente sich zu Molekülen zusammen. Dadurch ist das interstellare Gas auch besser in der Lage, sich weiter zu verdichten und zu kühlen. Damit wird auch die Bildung weiterer Sterne einfacher. Auf diesem Wege entstehen neue Sterngenerationen. Gleichzeitig liefern die Moleküle (meistens sind es Oxide und Silikate, aber auch aus H, C und O zusammengesetzte Moleküle) das Material für die Bildung von den erwähnten Schneebällen, Kometen oder auch Planeten.

Im Grunde befindet sich die Materie der Galaxis in einem Kreislauf: sie wird in Sternen aufgenommen, verweilt dort während des Lebens des Sterns, wird allerdings in Kernfusionsprozessen transformiert, kehrt aber am Ende des Lebens des Sterns zu einem erheblichen Teil in das Gas im interstellaren Raum zurück. Damit steht angereichertes Material für die nächste Generation der Stern- und Planetenbildung zur Verfügung.

Nach allem was wir wissen, ist die Kernfusion (über Umwege) eine notwendige Vorbedingung für das Entstehen von Planeten. Sie ist auch Vorbedingung für viele chemische Prozesse auf Planeten, wegen der dafür notwendigen Energieaufnahme. Es verwundert daher überhaupt nicht, dass die Vorgänge bei Bildung und Entwicklung von Sternen studiert und verstanden werden sollten, um alle Prozesse im Universum begreifen zu können.


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K.S. de Boer       Sternwarte, Universität Bonn, Auf dem Hügel 71, D-53121 Bonn
mail to: deboer@astro.uni-bonn.de
Text des Vortrags für Schüler, gehalten Januar 2000, Berlin, bei der Veranstaltung Jenseits der Milchstraße im   Jahr der Physik   (www.physik-2000.de)

In gedruckter Form erscheinen in:
"...und er würfelt doch! Die Erforschung des ganz Großen, des ganz Kleinen und des ganz Vielen"; Müller-Krumbhaar H., Wagner H.-F., (Hrsg.), ISBN 3-527-40328-0, WILEY-VCH Verlag Berlin GmbH, D-13086 Berlin; p. 71-83

Veröffentlicht als www.astro.uni-bonn.de/~deboer/sterne/pdmsternetxt.html am 2.03.2001 in Verbindung mit dem   Jahr der Physik   (www.physik-2000.de);   Kleine Anpassungen am 2005.07.21 und 2012.01.17
Siehe auch das Projekt   Physik des Monats   (www.astro.uni-bonn.de/~deboer/pdm)