Wissenschaft

Was ist ein Stern und wie funktioniert er?

Die Sterne haben die Menschen schon immer fasziniert, wahrscheinlich von dem Moment an, als unser frühester Vorfahr nach draußen trat und zum Nachthimmel aufblickte. Wir gehen immer noch nachts aus, wenn wir können, und schauen auf und wundern uns über diese funkelnden Gegenstände. Wissenschaftlich sind sie die Grundlage der Wissenschaft der Astronomie, die das Studium der Sterne (und ihrer Galaxien) ist. Stars spielen eine herausragende Rolle in Science-Fiction-Filmen, TV-Shows und Videospielen als Kulisse für Abenteuergeschichten. Also, was sind diese funkelnden Lichtpunkte, die in Mustern über dem Nachthimmel angeordnet zu sein scheinen?

Sterne sind mehr als nur Objekte am Himmel. Sie lehren uns über die Funktionsweise des Universums, von den frühesten bis zu den aktuellen Sternen. Menschen haben lange Zeit Sternenkarten wie diese benutzt, um sich nachts am Himmel zurechtzufinden. Sterne sind auch nützliche Navigationshilfen für Seeleute und Sterngucker. Carolyn Collins Petersen

 

Sterne in der Galaxie

Von der Erde aus sind Tausende von Sternen für uns sichtbar, insbesondere wenn wir in einem wirklich dunklen Himmelsbeobachtungsgebiet beobachten. Allein in der Milchstraße gibt es jedoch Hunderte von Millionen von ihnen, die nicht alle für Menschen auf der Erde sichtbar sind. Die Mühlstraße ist nicht nur die Heimat all dieser Sterne, sondern enthält auch „Sternenkindergärten“, in denen neugeborene Sterne in Gas- und Staubwolken geschlüpft werden.

Alle Sterne außer der Sonne sind sehr, sehr weit entfernt. Der Rest liegt außerhalb unseres Sonnensystems. Der uns am nächsten gelegene heißt Proxima Centauri und liegt 4,2 Lichtjahre entfernt.

Eine Hubble-Weltraumteleskopansicht von Proxima Centauri. NASA / ESA / STScI

Die meisten Sterngucker, die eine Weile beobachtet haben, bemerken, dass einige Sterne heller sind als andere. Viele scheinen auch eine schwache Farbe zu haben. Einige sehen blau aus, andere weiß, und wieder andere sind schwach gelb oder rötlich gefärbt. Es gibt viele verschiedene Arten von Sternen im Universum.

Beachten Sie die zwei leicht unterschiedlichen Farben der Sterne, aus denen Albireo besteht, der Doppelstern in der Nase von Cygnus dem Schwan. Sie können leicht durch ein Fernglas oder ein kleines Teleskop gesehen werden.  Mit freundlicher Genehmigung von NB, über Wikimedia Commons, Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0-Lizenz.

 

Die Sonne ist ein Stern

Wir sonnen uns im Licht eines Sterns – der Sonne. Es unterscheidet sich von den Planeten, die im Vergleich zur Sonne sehr klein sind und normalerweise aus Gestein (wie Erde und Mars) oder kühlen Gasen (wie Jupiter und Saturn) bestehen. Wenn Astronomen verstehen, wie die Sonne funktioniert, können sie einen tieferen Einblick in die Funktionsweise aller Sterne gewinnen. Umgekehrt ist es möglich, die Zukunft unseres eigenen Sterns herauszufinden, wenn sie im Laufe ihres Lebens viele andere Sterne studieren.

Die Schichtstruktur der Sonne und ihrer äußeren Oberfläche und Atmosphäre gibt Astronomen Einblicke in die Struktur anderer Sterne. NASA 

 

Wie Sterne funktionieren

Wie alle anderen Sterne im Universum ist die Sonne eine riesige, helle Kugel aus heißem, glühendem Gas, die durch ihre eigene Schwerkraft zusammengehalten wird. Es lebt in der Milchstraße zusammen mit ungefähr 400 Milliarden anderen Sternen. Sie alle arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip: Sie verschmelzen Atome in ihren Kernen, um Wärme und Licht zu erzeugen. So funktioniert ein Stern.

Ein Ausschnitt aus dem Inneren der Sonne. Die meisten Sterne haben ähnliche Arten von Zonen, einschließlich der Kerne, in denen die Kernfusion stattfindet. NASA / MSFC

Für die Sonne bedeutet dies, dass Wasserstoffatome unter hoher Hitze und hohem Druck zusammengeschlagen werden. Das Ergebnis ist ein Heliumatom. Dieser Verschmelzungsprozess setzt Wärme und Licht frei. Dieser Prozess wird als „stellare Nukleosynthese“ bezeichnet und ist die Quelle vieler Elemente im Universum, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. Von Sternen wie der Sonne wird das zukünftige Universum also Elemente wie Kohlenstoff erhalten, die es mit zunehmendem Alter bilden wird. Sehr „schwere“ Elemente wie Gold oder Eisen entstehen in massereicheren Sternen, wenn sie sterben, oder sogar bei katastrophalen Kollisionen von Neutronensternen.

Wie macht ein Stern diese „Sternnukleosynthese“ und bläst sich dabei nicht auseinander? Die Antwort: hydrostatisches Gleichgewicht. Das bedeutet, dass die Schwerkraft der Masse des Sterns (die die Gase nach innen zieht) durch den nach außen ge
richteten Druck von Wärme und Licht – den Strahlungsdruck – ausgeglichen wird, der  durch die im Kern stattfindende Kernfusion erzeugt wird.

Diese Fusion ist ein natürlicher Prozess und benötigt eine enorme Menge an Energie, um genügend Fusionsreaktionen auszulösen, um die Schwerkraft in einem Stern auszugleichen. Der Kern eines Sterns muss Temperaturen von mehr als 10 Millionen Kelvin erreichen, um Wasserstoff zu schmelzen. Unsere Sonne hat zum Beispiel eine Kerntemperatur von rund 15 Millionen Kelvin.

Ein Stern, der Wasserstoff zur Bildung von Helium verbraucht, wird für die gesamte Zeit, in der es sich um ein Wasserstoffschmelzobjekt handelt, als „Hauptreihenstern“ bezeichnet. Wenn der gesamte Brennstoff verbraucht ist, zieht sich der Kern zusammen, weil der nach außen gerichtete Strahlungsdruck nicht mehr ausreicht, um die Gravitationskraft auszugleichen. Die Kerntemperatur steigt (weil sie komprimiert wird) und das gibt ihr genug „Schwung“, um Heliumatome zu Kohlenstoff zu verschmelzen. An diesem Punkt wird der Stern ein roter Riese. Später, da ihm Treibstoff und Energie ausgehen, zieht sich der Stern in sich zusammen und wird zu einem weißen Zwerg.

 

Wie Sterne sterben

Die nächste Phase in der Entwicklung des Sterns hängt von seiner Masse ab, da dies bestimmt, wie er enden wird. Ein Stern mit geringer Masse hat wie unsere Sonne ein anderes Schicksal als Sterne mit höherer Masse. Es wird seine äußeren Schichten abblasen und einen planetarischen Nebel mit einem weißen Zwerg in der Mitte bilden. Astronomen haben viele andere Sterne untersucht, die diesen Prozess durchlaufen haben, wodurch sie einen besseren Einblick erhalten, wie die Sonne in einigen Milliarden Jahren ihr Leben beenden wird.

Könnte unsere Sonne ihr Leben beenden und wie der planetarische Nebel NGC 678 aussehen? Astronomen vermuten, dass dies durchaus möglich ist. ESO 

Sterne mit hoher Masse unterscheiden sich jedoch in vielerlei Hinsicht von der Sonne. Sie leben ein kurzes Leben und hinterlassen wunderschöne Überreste. Wenn sie als Supernovae explodieren, sprengen sie ihre Elemente in den Weltraum. Das beste Beispiel für eine Supernova ist der Krebsnebel im Stier. Der Kern des ursprünglichen Sterns bleibt zurück, während der Rest seines Materials in den Weltraum gesprengt wird. Schließlich könnte sich der Kern zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch komprimieren.

Blick des Hubble-Weltraumteleskops auf den Überrest der Krebsnebel-Supernova. NASA / ESA / STScI

 

Sterne verbinden uns mit dem Kosmos

Sterne existieren in Milliarden von Galaxien im ganzen Universum. Sie sind ein wichtiger Teil der Entwicklung des Kosmos. Sie waren die ersten Objekte, die sich vor mehr als 13 Milliarden Jahren gebildet haben, und sie umfassten die frühesten Galaxien. Als sie starben, verwandelten sie den frühen Kosmos. Das liegt daran, dass all die Elemente, die sie in ihren Kernen bilden, in den Weltraum zurückkehren, wenn Sterne sterben. Und diese Elemente verbinden sich letztendlich zu neuen Sternen, Planeten und sogar zum Leben! Deshalb sagen Astronomen oft, dass wir aus „Sternenmaterial“ bestehen.

Herausgegeben von Carolyn Collins Petersen .

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