In einen Stern hineingehen, um zu sehen, wie es funktioniert

Die Sterne haben die Menschen schon immer fasziniert, wahrscheinlich von dem Moment an, als unser frühester Vorfahre 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 Objekte. Wissenschaftlich sind sie die Grundlage der Wissenschaft der Astronomie, der Erforschung der Sterne (und ihrer Galaxien). Stars spielen eine herausragende Rolle in Science-Fiction-Filmen, TV-Shows und Videospielen als Hintergrund für Abenteuergeschichten. Also, was sind diese funkelnden Lichtpunkte, die in Mustern über den Nachthimmel verteilt zu sein scheinen?  

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

Sterne in der Galaxis

Es gibt Tausende von Sternen, die von der Erde aus sichtbar sind, besonders wenn wir in einem wirklich dunklen Himmelsbereich beobachten. Allein in der Milchstraße gibt es Hunderte von Millionen, von denen nicht alle für die Menschen auf der Erde sichtbar sind. Die Millky Way beherbergt nicht nur all diese Sterne, sondern enthält auch "Sternenkindergärten", in denen in Gas- und Staubwolken neugeborene Sterne geschlüpft werden.

Bis auf die Sonne sind alle Sterne sehr, sehr weit entfernt. Der Rest befindet sich außerhalb unseres Sonnensystems. Die 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 schwach gelb oder rötlich. 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 N.B., 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 ihr ganzes Leben lang viele andere Sterne studieren. 

Die geschichtete Struktur 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 von ihrer eigenen Schwerkraft zusammengehalten wird. Es lebt in der Milchstraße, zusammen mit ungefähr 400 Milliarden anderen Sternen. Sie alle arbeiten nach demselben 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 Prozess der Fusion setzt Wärme und Licht frei. Dieser Prozess wird "stellare Nukleosynthese" genannt 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 "stellare Nukleosynthese" und sprengt sich dabei nicht auseinander? Die Antwort: hydrostatisches Gleichgewicht. Das heißt, die Schwerkraft der Masse des Sterns (die die Gase nach innen zieht) wird durch den nach außen gerichteten Druck der Wärme und des Lichts - den Strahlungsdruck - ausgeglichen, 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 über 10 Millionen Kelvin erreichen, um Wasserstoff zu schmelzen. Unsere Sonne hat zum Beispiel eine Kerntemperatur von etwa 15 Millionen Kelvin.

Ein Stern, der Wasserstoff zur Bildung von Helium verbraucht, wird als "Hauptreihenstern" bezeichnet, solange es sich um ein wasserstoffverschmelzendes Objekt handelt. Wenn der gesamte Brennstoff verbraucht ist, zieht sich der Kern zusammen, da der Strahlungsdruck nach außen nicht mehr ausreicht, um die Schwerkraft auszugleichen. Die Kerntemperatur steigt (weil sie komprimiert wird) und das gibt ihr genug "Schwung", um Heliumatome zu Kohlenstoff zu verschmelzen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Stern ein roter Riese. Später, wenn der Treibstoff und die Energie ausgehen, zieht sich der Stern in sich zusammen und wird ein weißer Zwerg.

Wie Sterne sterben

Die nächste Phase in der Entwicklung des Sterns hängt von seiner Masse ab, denn das 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 erzeugen. Die Astronomen haben viele andere Sterne untersucht, die diesen Prozess durchlaufen haben, wodurch sie einen besseren Einblick erhalten, wie die Sonne in ein paar Milliarden Jahren ihr Leben beenden wird.

Könnte unsere Sonne am Ende ihres Lebens aussehen wie der Planetennebel NGC 678? 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 Supernova 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 der Kern komprimiert werden, um ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch zu werden.

Hubble-Weltraumteleskop mit Blick auf den Überrest der Krebsnebel-Supernova. NASA / ESA / STScI

Sterne verbinden uns mit dem Kosmos

Sterne existieren in Milliarden von Galaxien im gesamten Universum. Sie sind ein wichtiger Teil der Entwicklung des Kosmos. Sie waren die ersten Objekte, die sich vor mehr als 13 Milliarden Jahren bildeten, 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 zu neuem Leben! Deshalb sagen Astronomen oft, dass wir aus "Sternenmaterial" bestehen.. 

Herausgegeben von Carolyn Collins Petersen.