Astrophysik – „rote Riesen“, „weiße Zwerge“, „schwarze Löcher“ was ist das eigentlich?

Der Haidmühler Physiker Dr. R. Köhne erläutert hier in einer kleinen Serie von 3 Artikeln einige Grunderkenntnisse der Astrophysik:

Teil 3

Um diese Fragen beantworten zu können, beginnen wir am besten ganz am Anfang, mit der Entstehung des Weltalls.
Wie man heute weiß, entstand vor etwa 13,7 Milliarden Jahren aus einem Punkt unendlich hoher Energiedichte und unendlich hoher Temperatur unser Weltall, so zu sagen in einem „Urknall“ („Big Bang“). Der Name ist allerdings irreführend, da diese Entstehung weder mit einem Blitz noch mit irgendeinem Knall verbunden war. 

Über das Warum, Woher, das Wo  und das Vorher wissen wir nichts und werden auch nie etwas erfahren. Ein „Wo“ und „Vorher“ gab es ja auch noch gar nicht, denn erst im  Moment des Urknalls begann die Zeit zu laufen und ein unvorstellbar kleiner Raum entstand. Dieser dehnte sich zunächst mit  Überlichtgeschwindigkeit aus, wobei seine Temperatur außerordentlich schnell abnahm. Neben den bereits am Anfang vorhandenen  Elektronen haben sich nach etwa einer Millisekunde  auch Protonen (Wasserstoff Atomkerne) und Neutronen gebildet. Aber erst gut 3 Minuten  später – die Temperatur beträgt jetzt „nur“  noch eine  Milliarde Grad – können sich  aus 2 Protonen und 2 Neutronen auch Helium Atomkerne bilden. Nach einigen weiteren Minuten ist die Temperatur aber zu niedrig geworden, um auch die Atomkerne der folgenden  Elemente bilden zu können.

Das Weltall bestand jetzt aus ca. 75% Wasserstoff- und 25% Heliumatomkernen und frei herumfliegenden Elektronen. Von Sternen noch keine Spur. Es dauerte jetzt fast 400 000 Jahren bis sich  die Temperatur auf 3000 Grad abgekühlt hat. Jetzt erst konnten die Atomkerne die freien Elektronen einfangen, und sich die Gase Wasserstoff und Helium bilden. Jetzt kann auch das  Licht  entweichen. Vorher wurde es  immer wieder von den Elektronen an seiner Ausbreitung gehindert. Das Weltall wurde durchsichtig, als ob sich ein bislang dichter Vorhang nach seiner Geburt geöffnet hätte. Dieser heiße, strahlende  „Vorhang“ dehnte sich mit dem Weltall aus.

Im „Innern“ war das sich ausdehnende  Weltall aber dunkel und wurde immer kälter. Während der nächsten 200 bis 400 Millionen Jahre passierte gar nichts. Wie konnten sich da die heißen, leuchtenden Sterne bilden? Es wäre auch nichts passiert, gäbe es nicht die „Dunkle Materie“, eines der größten Geheimnisse. Sie ist nicht sichtbar und man weiß über sie fast nichts. Nur ihre Wirkung kann man beobachten. Sie bewirkte und bewirkt, dass sich das Gasgemisch aus Wasserstoff und Helium zusammen ballte, unter seiner eigenen Schwerkraft  verdichtete und zu sog. Protosternen wurde. Dabei wurde es immer heißer, bis schließlich bei 15 Millionen Grad –  wie bei unserer Sonne -. der Prozess des Wasserstoff Brennens (Fusion) einsetzte. Es entstanden strahlend helle Sterne und erleuchteten zum ersten Mal das bislang dunkle Weltall.

Diese Protosterne  waren mehrere 100mal größer als unsere Sonne. Es waren echte „Eintagsfliegen“, da sie nur  eine Lebensdauer von einigen  10 000 Jahren hatten. Auch heute bilden sich noch solche Sterne mit Größen von -zig  Sonnenmassen, die mit einigen Millionen Jahren auch nur kurz leben. Sobald  der Wasserstoff verbrannt ist, blähen sie  sich zunächst  auf und werden zu Roten Riesen (z.B. der Stern Beteigeuze im Orion Sternbild). Grund für die  rote Farbe ist der inzwischen gebildete Kohlenstoff.  Dann ziehen sie sich aber auf Grund ihrer Größe (Schwerkraft!) weiter zusammen, werden immer heißer (bis 3 Milliarden Grad), wobei  in ihrem Innern alle weiteren Elemente bis zum Eisen entstehen. Der Kern  des Sterns zieht sich noch weiter zusammen und erreicht eine ungeheure Dichte (1 cm³ wiegen jetzt über 100 Millionen Tonnen!). Jetzt stürzen die äußeren Schichten des Sterns auf den Kern. Es  kommt es zu einem der spektakulärsten Ereignisse im Weltraum, einer unglaublich gewaltigen Explosion. Dabei entstehen alle restlichen Elemente bis zum radioaktiven Uran (Supernova).

(K. France et al. / R. Kirshner et al., Chandra      Röntgenteleskop, NASA/ESA)

Hat der Kern des Sterns immer noch mehr als ca. 20 Sonnenmassen zieht er sich weiter zusammen. Schließlich bricht er durch seine ungeheure Schwerkraft zusammen. Der Raum um ihn herum krümmt sich in sich selbst zurück, der Kern  verschwindet und es entsteht ein Schwarzes Loch. Es heißt schwarz, weil es nicht mehr sichtbar ist. Nichts kann aus ihm entweichen, nicht einmal Licht, und die Zeit darin hört auf zu existieren.  Alles, was in seine Nähe kommt, wird verschlungen. Alle Galaxien haben vermutlich in ihrem Zentrum ein schwarzes Loch, z.B. unsere Milchstraße eines von ca. 4 Millionen Sonnenmassen.

Kleinere Sterne, wie unsere Sonne, haben eine wesentlich längere Lebensdauer (8-10 Milliarden Jahre). Nach dieser Zeit (bei der  Sonne in ca. 5 Milliarden Jahren) blähen sie sich auch zum Roten Riesen auf. Dabei entstehen neben Helium auch Kohlenstoff und Sauerstoff. Der rote Riese wächst weiter, seine Hülle wir abgestoßen und erscheint als planetarischer Nebel, der auch die Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff enthält.

Zurück bleibt ein Weißer Zwerg, der im Wesentlichen aus Kohlenstoff und Sauerstoff besteht, und immer mehr erkaltet. Seine Temperatur beträgt schließlich höchstens nur noch  4000 Grad. Dieses Schicksal wird auch unsere Sonne erleiden.

Bei den Sternexplosionen  werden  alle Elemente in den Weltraum geschleudert, aus denen dann die Sterne der nächsten Generation entstehen. So kommt jedes Kohlenstoff Atom in unserem Körper aus einem Stern. Wir sind in im wahrsten Sinn des Wortes „Sternkinder“.

Vieles wissen wir noch nicht und einiges werden wir wohl nie ergründen. Wie sagte schon um 1600 der bekannte italienische Astronom und Wissenschaftler Galileo Galilei „Wann werde ich zu staunen aufhören und zu begreifen beginnen? Was bin ich? Was ist der Mensch? Was ist die Welt, in der ich lebe?“.

Dr. Rainer Köhne