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Warum leuchten Sterne?

Ein Blick an den nächtlichen Himmel kann uns bei klarer und wolkenfreier Sicht immer wieder faszinieren. Ein leuchtendes Meer von Sternen erstreckt sich über unsere Köpfe und lässt und träumen und in Gedanken versinken. Dabei kommen uns immer wieder Fragen über die verschiedensten Dinge in den Sinn – allen voran aber die Frage: Warum leuchten Sterne überhaupt?

Die Physik, warum die Sterne leuchten

Unsere Erde, die leuchtenden Sterne und unsere Körper haben allesamt eine Sache gemeinsam: alle bestehen sie aus den gleichen Grundelementen der Materie. Um nun jedoch verstehen zu können, warum Sterne leuchten, sollten wir vorerst das Zusammenspiel der kleinsten Teilchen verstehen, aus denen sich die Materie zusammensetzt. Eines können wir jedoch vorweg schon sagen: das Funkeln der Sterne hat mit der Entstehung ihres Leuchtens nicht unmittelbar etwas zu tun!

Nicht ohne Grund haben sich Wissenschaftler seit Jahren mit der Materie beschäftigt. Die Quintessenz der Forschung beläuft sich darauf, dass verschiedenen Arten von Atomen der Grundbaustein der Materie sind. Zu ihnen zählen beispielsweise Wasserstoffatome, Kohlenstoffatome oder Eisenatome. Ein Atom besitzt je nach Art eine bestimmte und einzigartige Anzahl von Teilchen. Die Teilchen nennen wir Protonen, Neutronen und Elektronen. Während die Neutronen und Protonen sich im Atomkern bündeln, werden sie von den Elektronen umkreist.

Um an dieser Stelle zu verdeutlichen, wie klein ein Atom ist, haben wir ein kleines Beispiel aus der Praxis parat: würde man hundert Millionen Atome nebeneinanderlegen, so wäre die Reihe gerade einmal circa zweieinhalb Zentimeter lang!

Wie die Teilchen nun aber genau dazu beitragen, dass ein Stern leuchtet, das erklären wir im weiteren Verlaufs des Artikels. Im Folgenden möchten wir erst einmal einen Überblick zur Forschung und den Theorien der Energiegewinnung eines Sternes geben. Nur so war es der Wissenschaft möglich, zu ergründen, weshalb Sterne leuchten und woher sie die dafür benötigte Energie beziehen.

Die Sonne – riesiger leuchtender Stern

Seit etwa 4,5 Milliarden Jahren erreicht unsere Erde das Licht und die Wärme der Sonne – dem Stern im Zentrum unseres Sonnensystems. Im 19. Jahrhundert war man noch der Auffassung, die Sonne würde durch chemische Reaktionen ihre Energie beziehen und damit auch ihr Licht aufrechterhalten. Nach weiteren Berechnungen stellte sich dann allerdings schon bald heraus, dass ein Stern, der seine Energie allein aus chemischen Reaktionen ziehen würde gerade einmal knapp tausend Jahre bestehen könnte.

Thesen über den Ursprung der Sternenenergie

Sternentstehung im Weltall
Hier geht es heiß her: eine Galaxy von rot leuchtenden Feuerbällen

So stellten zwei Wissenschaftler in der Mitte des 19. Jahrhunderts eine neue These auf: die Physiker Hermann von Helmholtz und Lord Kelvin waren der Meinung, dass sich die Sonne aufgrund des enormen Gewichts ihrer äußeren Schichten allmählich zusammenziehen würde. Dies hätte zur Folge, dass die Gase im Inneren des Feuerballs komprimiert und so einen Temperaturanstieg mit sich ziehen würden.

Ferner war es die Überlegung der Forscher, dass diese sogenannte Gravitationskontraktion auch dafür verantwortlich sein müsste, dass die heißen Gase der Sonne Wärmeenergie in den Weltraum abgeben müssten. Und tatsächlich findet dieser Prozess nach heutigem Forschungsstand in der Protostern-Phase während der Sternenbildung statt.

Helmholtz und Kelvin lagen mit ihrer Vermutung jedoch nicht ganz richtig, dass diese Art der Kontraktion die Hauptquelle der Energie eines Sterns für mehrere Milliarden Jahre sei. Denn heute wissen wir, dass dadurch möglicherweise eine Lebensdauer von einigen hundert Millionen Jahren, nicht aber einer Milliarde erreicht werden könnte.

Albert Einstein lieferte einen weiteren Ansatz für den Ursprung der Sternenenergie, der der Wissenschaft später zum Durchbruch verhelfen sollte. Im Jahr 1905 bewies der bekannte Denker mit der Aufstellung seiner Relativitätstheorie, dass Masse in Energie umgewandelt werden kann und das Gleiche auch umgekehrt passieren kann. Dafür stellte er die bekannte Formel E = mc2auf. E steht in der Gleichung für die Energie, die bei der Umwandlung einer Masse (m) freigesetzt wird. c steht dabei für die Lichtgeschwindigkeit (in Metern pro Sekunde).

Proton-Protonen-Reaktionskette

Eine weitere Theorie wurde 1920 vom britischen Astronomen Arthur Eddington in den Raum gestellt. Sie besagt, dass die Sonne und andere Sterne durch Kernreaktionen angetrieben werden. Der Physiker und Nobelpreisträger Hans Bethe erkannte dahingehend, dass die zustande kommende Reaktion, wenn ein Proton mit genügend Kraft in ein anderes Proton eindringt, die Energiequelle für die Sonne sein müsste. Bethe und seine Kollegen stellten 1938 erstmals eine solch ausgereifte Proton-Protonen-Reaktionskette vor, laut welcher Wasserstoff in Helium umwandelt werden könnte und so für das Leuchten der über einen Zeitraum von etwa 10 Milliarden Jahren sorgen könnte. Der heute Protonen-Protonen-Zyklus bekannte Vorgang beschreibt etwa 98% der gesamten Energieproduktion unserer Sonne, die sich in ihrem Kern abspielt. Für seine aufschlussreichen Forschungsergebnisse in diesem Gebiet erhielt Bethe 1967 den Nobelpreis für Physik.

So entsteht das Leuchten eines Sternes

Sonne und Ursprung des leuchtenden Sterns
Glühend heiß: Energiegewinnung der Sonne

Wir möchten nun anhand des Praxisbeispiels der Sonne das Leuchten eines Sternes ergründen. Im Kern des roten Feuerballs herrschen enormer Druck und unglaubliche Hitze – die perfekten Bedingungen dafür, dass Protonen hart genug aufeinandertreffen und Verbindungen eingehen können.

Schließen sich vier Protonen auf diese Weise zusammen, entstehen bei zwei Protonen, zwei Neutronen, zwei Positronen und eine gewisse Menge Energie wird freigesetzt. In der Schule haben viele von uns sicher gelernt, dass Protonen eine positive Ladung besitzen, Elektronen hingegen negativ geladen sind, während Neutronen keine Ladung besitzen. Doch was hat es nun mit einem Positron auf sich? Im Grunde genommen ähnelt dieses kleine Teilchen einem Elektron, besitzt jedoch eine positive elektrische Ladung. Der Name spricht demnach als Kunstwort schon für sich. Im Netz kann man an vielen Stellen mehr über das Positron erfahren, falls man sich genauer dafür interessiert.

Zusätzliche Energie sorgt für das Leuchten der Sterne

Die bei der besprochenen Reaktion auftretende zusätzliche Energie ist letztlich das, was dafür sorgt, dass Sterne leuchten. Kommen wir auf Einsteins Relativitätstheorie zurück, die uns zeigte, dass E=mc2 ist. Damit ist in diesem Fall gemeint, dass ein Massenverlust (m) unweigerlich zur Entstehung von Energie (E) führt. c steht für die Lichtgeschwindigkeit und entspricht demnach 300.000 km/Sekunde.

Kommen wir nun auf die Theorie von Nobelpreisträger Bethe zurück, laut der Wasserstoff in Helium umgewandelt wird: ein Heliumkern entspricht nur 99,3% des Gewichts von vier Protonen. Die fehlende Masse wird folglich in Energie umgewandelt. Und genau diese freigesetzte Energie ist es, die den Stern zum Leuchten bringt und gleichermaßen dafür sorgt, dass er nicht unter der Anziehung der Schwerkraft zusammenbricht.

Zusammenfassung warum Sterne leuchten

Um zusammenfassend eine vereinfachte Antwort auf die Frage, warum Sterne leuchten geben zu können, formulieren wir es wie folgt: im Kern eines Sterns prallen Protonen mit so viel Geschwindigkeit ineinander, sodass sie sich mit einander verbinden. Es entsteht ein Heliumkern und gleichzeitig wird dabei eine enorme Menge an Energie erzeugt. Wir kennen diesen Prozess auch als Kernfusion.

Sekündlich werden in Sternen der Größe unserer Sonne 4 Millionen Tonnen Materie durch den Prozess der Kernfusion in Wärme und Licht umgewandelt. Auf der Erde bemerken wir von all dem recht wenig – es ist allein das Leuchten der Sterne, dass uns am Nachthimmel jeden Abend erneut verzaubert.

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