Vom Stern zum Weißen Zwerg die Saga eines sonnenähnlichen Sterns

Weiße Zwerge sind merkwürdige Objekte. Sie sind klein und nicht sehr massiv (daher der "Zwerg" -Teil ihrer Namen) und strahlen hauptsächlich weißes Licht aus. Astronomen bezeichnen sie auch als "entartete Zwerge", weil sie in Wirklichkeit die Überreste von Sternkernen sind, die sehr dichte "entartete" Materie enthalten.

Viele Sterne verwandeln sich als Teil ihres "Alters" in weiße Zwerge. Die meisten von ihnen begannen als Sterne ähnlich unserer eigenen Sonne. Es scheint ziemlich seltsam, dass unsere Sonne sich irgendwie in einen seltsamen, schrumpfenden Mini-Stern verwandeln würde, aber es wird in Milliarden von Jahren geschehen. Astronomen haben diese seltsamen kleinen Objekte überall in der Galaxis gesehen. Sie wissen sogar, was mit ihnen passiert, wenn sie abkühlen: Sie werden schwarze Zwerge. 

Eine künstlerische Darstellung eines weißen Zwergsterns im Orbit mit Pulsar PSR J2222-0137. Es ist vielleicht der coolste und dunkelste weiße Zwerg, der jemals identifiziert wurde. (Größere Version verfügbar unter: https://public.nrao.edu/images/non-gallery/2014/c-blue/06-23/ColdRemnant.jpg). B. Saxton (NRAO / AUI / NSF)

Das Leben der Sterne

Um die weißen Zwerge zu verstehen und wie sie sich bilden, ist es wichtig, die Lebenszyklen der Sterne zu kennen. Die allgemeine Geschichte ist ziemlich einfach. Diese riesigen, kochenden Kugeln aus überhitzten Gasen bilden sich in Gaswolken und leuchten durch die Energie der Kernfusion. Sie verändern sich im Laufe ihres Lebens und durchlaufen verschiedene und sehr interessante Phasen. Sie verbringen den größten Teil ihres Lebens damit, Wasserstoff in Helium umzuwandeln und Wärme und Licht zu erzeugen. Astronomen zeichnen diese Sterne in einem Diagramm auf, das als Hauptsequenz bezeichnet wird und zeigt, in welcher Phase sie sich in ihrer Entwicklung befinden.

Die Sonne wird sich eines Tages zu einem Weißen Zwerg entwickeln. NASA / SDO

Sobald die Sterne ein bestimmtes Alter erreicht haben, treten sie in neue Existenzphasen ein. Letztendlich sterben sie auf irgendeine Weise und hinterlassen faszinierende Beweise über sich. Dort sind einige Wirklich exotisch Objekte, aus denen sich wirklich massive Sterne entwickeln, wie Schwarze Löcher und Neutronensterne. Andere beenden ihr Leben als ein anderer Objekttyp, der als weißer Zwerg bezeichnet wird.

Einen weißen Zwerg erschaffen

Wie wird aus einem Stern ein weißer Zwerg? Sein Evolutionsweg hängt von seiner Masse ab. Ein massereicher Stern - einer mit der achtfachen Masse der Sonne in der Hauptsequenz - explodiert als Supernova und erzeugt einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch. Unsere Sonne ist kein massereicher Stern, daher werden sie und ihr sehr ähnliche Sterne zu weißen Zwergen, und dazu gehören die Sonne, Sterne mit geringerer Masse als die Sonne und andere, die irgendwo zwischen der Masse der Sonne und der von liegen die Überriesen.

Massive Sterne sterben bei Supernova-Explosionen wie dieser. Die Überreste dieses Sterns werden keinen weißen Zwerg bilden, sondern einen rotierenden Neutronenstern namens Pulsar hervorbringen. Hubble-Weltraumteleskop mit Blick auf den Überrest der Krebsnebel-Supernova. NASA / ESA / STScI

Sterne mit geringer Masse (jene mit etwa der Hälfte der Sonnenmasse) sind so leicht, dass ihre Kerntemperaturen niemals heiß genug werden, um Helium in Kohlenstoff und Sauerstoff zu verwandeln (der nächste Schritt nach der Wasserstofffusion). Sobald der Wasserstoff eines massearmen Sterns aufgebraucht ist, kann sein Kern dem Gewicht der darüber liegenden Schichten nicht widerstehen und alles kollabiert nach innen. Was vom Stern übrig bleibt, wird dann zu einem weißen Helium-Zwerg komprimiert - einem Objekt, das hauptsächlich aus Helium-4-Kernen besteht

Wie lange ein Stern überlebt, ist direkt proportional zu seiner Masse. Die massearmen Sterne, die zu Helium-Weißen-Zwergen-Sternen werden, brauchen länger als das Alter des Universums, um ihren endgültigen Zustand zu erreichen. Sie kühlen sehr, sehr langsam ab. Daher hat noch niemand gesehen, dass man sich wirklich komplett abgekühlt hat, und diese merkwürdigen Sterne sind ziemlich selten. Das heißt nicht, dass sie nicht existieren. Es gibt etwas Kandidaten, aber sie erscheinen normalerweise in binären Systemen, was darauf hindeutet, dass irgendeine Art von Massenverlust für ihre Entstehung oder zumindest für die Beschleunigung des Prozesses verantwortlich ist.

Die Sonne wird ein weißer Zwerg

Wir tun sehen Sie viele andere weiße Zwerge dort draussen, die ihr Leben als Sterne eher wie die Sonne begannen. Diese weißen Zwerge, auch als entartete Zwerge bekannt, sind die Endpunkte von Sternen mit Hauptsequenzmassen zwischen 0,5 und 8 Sonnenmassen. Wie unsere Sonne verbringen diese Sterne den größten Teil ihres Lebens damit, Wasserstoff in ihren Kernen zu Helium zu verschmelzen.

Unser Stern wird auf dem Weg zum weißen Zwerg, der von einem planetarischen Nebel umgeben ist, zu einem roten Riesen. B. Jacobs / Wikimedia Commons

Sobald ihnen der Wasserstoff ausgeht, komprimieren sich die Kerne und der Stern wird zu einem roten Riesen. Es erwärmt den Kern, bis Helium zu Kohlenstoff verschmilzt. Wenn das Helium ausgeht, beginnt der Kohlenstoff zu schmelzen und schwerere Elemente zu bilden. Der Fachbegriff für diesen Prozess ist der "Triple-Alpha-Prozess": Zwei Heliumkerne verschmelzen zu Beryllium, gefolgt von der Fusion eines zusätzlichen Heliums, das Kohlenstoff erzeugt.)

Sobald das gesamte Helium im Kern geschmolzen ist, wird der Kern wieder komprimiert. Die Kerntemperatur wird jedoch nicht heiß genug, um Kohlenstoff oder Sauerstoff zu verschmelzen. Stattdessen "versteift" es sich und der Stern tritt in eine zweite rote Riesenphase ein. Schließlich werden die äußeren Schichten des Sterns sanft weggeblasen und bilden einen planetarischen Nebel. Zurück bleibt der Kohlenstoff-Sauerstoff-Kern, das Herz des Weißen Zwerges. Es ist sehr wahrscheinlich, dass unsere Sonne diesen Prozess in ein paar Milliarden Jahren beginnen wird. 

Es gibt einen weißen Zwerg im Herzen des Ringnebels. Dies ist ein Hubble-Weltraumteleskopbild. Der Ringnebel besteht aus einem weißen Zwerg in der Mitte einer sich ausdehnenden Hülle aus Gasen, die vom Stern ausgestoßen werden. Es ist möglich, dass unser Stern so endet. NASA / ESA / STScI.

Der Tod der Weißen Zwerge: Schwarze Zwerge

Wenn ein Weißer Zwerg aufhört, Energie durch Kernfusion zu erzeugen, ist er technisch gesehen kein Stern mehr. Es ist ein herausragender Überrest. Es ist immer noch heiß, aber nicht von der Aktivität im Kern. Stellen Sie sich die letzten Phasen des Lebens eines Weißen Zwerges eher wie die sterbende Glut eines Feuers vor. Mit der Zeit wird es abkühlen und schließlich so kalt, dass eine kalte, tote Glut entsteht, die manche als "schwarzer Zwerg" bezeichnen. Bisher ist noch kein Weißer Zwerg bekannt. Das liegt daran, dass es Milliarden und Abermilliarden von Jahren dauert, bis dieser Prozess stattfindet. Da das Universum erst etwa 14 Milliarden Jahre alt ist, hatten selbst die ersten Weißen Zwerge nicht genug Zeit, sich vollständig abzukühlen und schwarze Zwerge zu werden. 

Die zentralen Thesen

• Alle Sterne altern und entwickeln sich schließlich aus der Existenz heraus.
• Sehr massive Sterne explodieren als Supernovae und hinterlassen Neutronensterne und Schwarze Löcher.
• Sterne wie die Sonne entwickeln sich zu weißen Zwergen.
• Ein Weißer Zwerg ist der Überrest eines Sternkerns, der alle äußeren Schichten verloren hat.
• Kein weißer Zwerg hat sich in der Geschichte des Universums vollständig abgekühlt.

Quellen

• NASA, NASA, imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/dwarfs1.html.
• "Stellar Evolution", www.aavso.org/stellar-evolution.
• „Weißer Zwerg | KOSMOS." Zentrum für Astrophysik und Supercomputing, astronomy.swin.edu.au/cosmos/W/weißer Zwerg.

Herausgegeben von Carolyn Collins Petersen.