Folge #1 des Astronomie-Podcast | Weltall für die Ohren

Was sind Sterne?

Was ist ein Stern, wie entsteht ein Stern, wie funktioniert ein Stern? Und was zeigen uns Sterne mit dem bloßem Auge alles? Es geht um Blaue und Rote Riesen, um Sternfarben, Spektralklassen und Stern-Helligkeiten..

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Was sind Sterne?

Sirius, Arktur, Wega und Kapella. Aber auch Beteigeuze, Atair, Aldebaran und Antares. Alles Namen von Sternen, die zu den hellsten und bekanntesten am Nachthimmel gehören und zusammen mit einigen anderen Sternen die uns jeweils vertrauten Figuren am Himmel aufspannen, die wir Sternbilder nennen. Hat man das Glück, in einer klaren Nacht, weit abseits von hell erleuchtenden Städten und Dörfern in den Himmel der Nordhalbkugel zu schauen, so funkeln einem bis zu etwa 3000 Sterne entgegen. So ein majestätischer Anblick ist beindruckend und ergreifend. Nimmt man ein Fernglas zu Hilfe, das die Lichtsammelfläche der Pupillen schon drastisch erhöht, zeigen sich bereits mehrere Zehntausend bis Hunderttausend Sterne. Und mit einem großen Amateurteleskop steigt die Zahl der zu sehenden Sterne schon in die Millionen. Spätestens bei einem solchen Anblick kann man wenigstens annähernd nachvollziehen, dass unserer Heimatgalaxie, die man auch Galaxis oder Milchstraße nennt, etwa 300 Milliarden Sterne beheimatet. Unsere Sonne, die jeden Tag vom Himmel lacht, ist einer davon. Sie ist der uns nächste Stern am Himmel und steht, bezogen auf die monströsen Dimensionen unserer Galaxis, quasi direkt vor unserer Haustüre. Mit ihr und den anderen Planeten unseres Sonnensystems, also Merkur, Venus, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, leben wir mitten in einer unvorstellbar großen Insel im Weltall, die aus einigen hundert Milliarden Sternen besteht und die Form eines Ufos hat.

Doch was genau sind diese unzähligen Lichtpunkte eigentlich? Genau darum geht es in dieser ersten Folge von abenteuer-sterne …

Früher dachten die Menschen, dass alle diese Lichtpünktchen am Nachthimmel vom göttlichen Licht herrühren, das durch kleine Löcher in der Himmelskugel hindurchscheint. Seit knapp 100 Jahren wissen wir, dass es sich bei diesen Himmelsobjekten um kugelförmige Ansammlungen von heißem Gas handelt, das sich hauptsächlich aus Wasserstoff und ein bisschen Helium zusammensetzt. In der Mitte dieser Kugeln ist das Gas so dicht zusammengedrückt, dass die Temperatur hoch genug ist, um die Verschmelzung von Atomkernen zu starten. Bei diesem Prozess, den man Kernfusion nennt, wird sehr viel Energie frei. Nämlich diejenige, die in den Atomkernen steckte. Diese freigesetzte Energie strahlt der Stern dann an seiner kugeligen Oberfläche permanent in Form von Licht ab. Je nach Entfernung des Sterns macht sich das Licht auf eine viele Jahre dauernde Reise durch das dunkle, leere All, bis es uns auf der Erde erreicht bzw. auf unsere Netzhaut im Auge tritt. Und da ist er dann, der romantische funkelnde Sternenhimmel, den wir nachts bestaunen und genießen können.

Physikalisch korrekt kann man diese heißen, selbstleuchtenden Gaskugeln auch als unentwegt explodierende Wasserstoffbomben bezeichnen. Romantisch ist eine solche Bezeichnung für Sterne aber sicherlich nur für die absoluten Hardliner unter den Physikern … Leuchten bedeutet in diesem Zusammenhang, dass es sich nicht nur um sichtbares Licht handelt. Sterne strahlen nämlich im gesamten elektromagnetischen Spektrum ab, haben aber jeweils ein sogenanntes Strahlungsmaximum. Unsere Sonne hat ihr Strahlungsmaximum im grünen Wellenlängen-Bereich des elektromagnetischen Spektrums, auch wenn sich das Sonnenlicht unseren Augen als weißgelblich zeigt. Neben einer großen Menge Infrarotstrahlung – also Wärmestrahlung – sendet die Sonne aber auch noch sehr viel Ultraviolette Strahlung aus – was manch einer in Form eines heftigen Sonnenbrandes spüren kann. Ganz allgemein sendet jeder Körper, der eine Temperatur hat, elektromagnetische Strahlung aus. Für das menschliche Auge sichtbar wird sie jedoch erst jenseits von 500° Celsius. Ein Stück glühende Holzkohle beispielsweise strahlt hauptsächlich im Infraroten Wellenlängenbereich ab, also jenseits von 700 nm Wellenlänge. Die Strahlung macht sich im Wesentlichen nur für unsere Haut in Form von Wärme bemerkbar. Wird hingegen Eisen stark erhitzt, kann das Auge die Strahlung deutlich sehen: das Eisen fängt an zu glühen. Wird es extrem erhitzt, leuchtet es nicht mehr nur weiß, sondern sogar ganz leicht bläulich.

Genau dieser Zusammenhang gilt auch für Sterne. Je heißer die Oberflächentemperatur, desto bläulicher ist das abgestrahlte Sternenlicht. Und je kühler die Oberflächentemperatur, desto mehr verschiebt sich die Abstrahlung in den rötlichen Wellenlängenbereichs des Lichtes. Sterne sind aufgrund dieser kategorisierbaren Eigenschaften in sogenannte Spektralklassen eingeteilt. Sterne, die rötliches Sternenlicht abstrahlen, sind mengenmäßig am häufigsten in unserer Galaxie, weil etwa 75% aller Sterne sogenannte Rote Zwerge sind. Das sind kleine, wenig massereiche Sterne, die allesamt kleiner und kühler als unsere Sonne sind und in deren Kernen gerade noch Wasserstoffbrennen im Gange ist; also die Kernfusion von Wasserstoff. Der uns nächste Stern am Nachthimmel, Proxima Centauri, ist ein solcher Roter Zwerg. Nur leider kann man weder ihn, noch seine zig Milliarden Artgenossen mit bloßem Auge sehen. Ihr Sternenlicht ist aufgrund ihrer geringen Masse und Größe einfach zu schwach. Dies gelingt nur mit Teleskopen. Allerdings darf man sich hier nicht sattrotes Licht vorstellen! Der Anblick eines Roten Zwergs kommt eher dem einer Glühbirne gleich, die in einem warmweißen Ton leicht gelbrötlich leuchtet.

Doch wer genau hinsieht, wird mit bloßem Auge trotzdem ein paar Sterne unter den circa 3000 Sternen an Nachthimmel ausfindig machen, die statt weiß in einem dezenten Gelborange bis Rot leuchten. Haben Sie einen rötlich leuchtenden Stern im Visier, dann betrachten Sie einen sogenannten Roten Riesen oder vielleicht sogar einen Roten Überriesen. Das sind große bis sehr große helle Sterne, die deswegen so riesig sind, weil sie sich aufgebläht haben. Das wiederum tun sie, weil sie in einer Art Energiekrise stecken, die gleichzeitig ihr Lebensende markiert. Und in diese Krise geraten sie, sobald in ihrem Inneren kaum mehr Atomkerne zur Verfügung stehen und die Kernfusion dadurch ins Stocken gerät. Starkes Aufblähen ist daraus die Konsequenz. Bei einem solchen Stern muss sich dann dieselbe Energiemenge auf eine größere bis erheblich größere Oberfläche um den Kern des Sterns verteilen. Somit sinkt pro Flächeneinheit die Temperatur der Sternoberfläche. Der Stern leuchtet deshalb während dieser Veränderungen immer rötlicher und zeitgleich steigt seine Leuchtkraft intensiv an …

Alle rötlichen Sterne am Himmel, die man mit bloßem Auge sieht, sind also große Sterne kurz vor ihrem Tod. Allein die Masse am Lebensanfang eines Stern entscheidet, was er für eine Art Stern ist, wie lange er lebt und wie er am Ende stirbt. Durchschnittliche Sterne, wie bspw. unsere Sonne, blähen sich am Ende ihres mehrere Milliarden Jahre dauernden Lebens vom gelben Zwerg um etwa das Hundertfache Volumen zum Roten Riesen auf und kühlen dabei an ihrer Oberfläche von etwa 6000 Grad Celsius auf nurmehr 4000 Grad Celisus ab. Dieser dann rötlich leuchtende Stern verliert dann im weiteren Verlauf seine Gashüllen hinaus in den Raum. Vom toten Stern übrig bleibt sein heißer Kern …Deutlich massereichere Sterne, also Gelbe und Blaue Riesen und Überriesen, leben hingegen um den Faktor 100 bis 1000 mal kürzer, leuchten aber bereits von Anfang an relativ hell bis sehr hell und sind mit vielen tausend bis einigen zehntausende Grad Celsius Oberflächentemperatur ziemlich heiß. An ihrem Lebensende werden diese großen Sterne dann aber auch zu Roten Riesen bzw. sogar zu Roten Überriesen. Die massereichsten unter ihnen verenden in einer gewaltigen Explosion, die Astronomen „Supernova“ nennen. Aufgrund ihres relativ kurzen Lebens gibt es am Himmel im Verhältnis nur wenige Blaue Riesen. Doch mit etwas Geduld, sind auch sie mit bloßem Auge ausfindig zu machen. Sie verraten sich durch ihr weißes Sternenlicht, das eine dezente bläuliche Färbung aufweist.

Ein Paradebeispiel für verschiedene Sternfarben in einem eng begrenzten Raum sind die Sterne des Sternbildes Orion, die man während der Wintermonate sehr schön über dem Südhorizont beobachten kann. Die drei Gürtelsterne des Orions, die markanteste Formation dieses grandiosen Sternbildes, sind beispielsweise alles Blaue Riesen. Also heiße, große und somit kurzlebige Sterne, die aber alle noch Mitten in ihrem Leben stecken und relativ stabil und gleichmäßig Kernfusion betreiben. Diese drei Vertreter leuchten bis zu 375.000 mal so stark wie unsere Sonne und sind bis zu etwa 25 mal größer als diese.

Der Stern Rigel, der den rechten Fuß des Himmelsjägers Orion darstellen soll, ist zwar auch ein Blauer Überriese. Jedoch befindet sich dieser bereits am Übergang zu seinem Lebensende. Rigel ist also schon auf dem Weg sich zum Roten Überriesen zu entwickeln. Ganz anders hingegen der linke obere Stern des Orions, der sogenannte Schulterstern. Dieser Stern, der den anmutenden Namen Beteigeuze trägt, ist nämlich bereits an seinem Lebensende angekommen und somit ein Roter Überriese. Seine leichte Rotfärbung ist mit bloßem Auge in einer dunklen klaren Nacht problemlos zu sehen. Dieser durch Aufblähung zum Riesen gewordene Stern ist übrigens massereich genug, so dass er wohl ziemlich sicher in einer Supernova-Explosion verenden wird. Und das, so vermuten Astronomen, schon relativ bald … Wobei dieses „bald“ zwischen den nächsten paar Jahrhunderten und einigen hunderttausend Jahren liegen kann. Das hört sich etwas seltsam an … Aber im Vergleich zum Alter dieses Sterns oder überhaupt bezogen auf kosmische Dimensionen steht der Kollaps des Sterns tatsächlich unmittelbar bevor. Wenn es soweit ist, ist es in jedem Fall von der Erde aus ein unübersehbares Ereignis. Denn Beteigueze wird so hell aufleuchten, dass er auch am Taghimmel für einige Wochen oder gar Monate sichtbar werden wird.

Gerade von den gelborange bis rötlich leuchtenden Sternen sieht man mit bloßem Auge noch einige weitere am Nachthimmel. So beispielsweise die Roten Riesen Arktur im Sternbild Bärenhüter und Aldebaran im Sternbild Stier, oder die Roten Überriesen Antares im Skorpion und ganz besonders der Granatstern, der zum Sternbild Cepheus dazugehört. Der Granatstern ist sogar der röteste Stern am gesamten Nachthimmel, den man mit bloßem Auge sehen kann. Hier muss man allerdings anmerken, dass das starke Rot von interstellarem Staub herrührt, dar sich in Sichtverbindung zur Erde genau vor dem Stern befindet. Dieser Staub sorgt dafür, dass der blaue Lichtanteil des Sterns stark herausgestreut wird und sich somit der Rotanteil des Lichtes entsprechend verstärkt. Neben Beteigeuze und Antares ist der Granatstern übrigens der dritte im Bunde, der in einer gewaltigen Supernova enden wird.

Die Farbe der Sterne verrät uns also etwas über ihre Oberflächentemperatur und sie ist ein Indiz für das Alter des Sterns. Doch die Sterne zeigen sich uns darüber hinaus auch noch in verschiedenen Helligkeiten. Der hellste Stern am gesamten Nachthimmel ist Sirius, ein Stern des Sternbildes großer Hund. Verlängert man im Geiste die drei Gürtelsterne des Orions nach links unten, gelangt man genau zu Sirius. Doch warum leuchtet dieser Stern so hell? Weil er so groß ist oder weil er nicht sehr weit entfernt steht? … Es ist nicht die Größe. Sirius ist nämlich nur etwa doppelt so groß wie unsere Sonne. In seinem Fall ist ganz alleine die sehr geringe Entfernung von nur 8,6 Lichtjahren. Sirius ist also so nah, dass sein Licht zu uns nur 8,6 Jahre unterwegs ist. Ganz anders beim Stern Deneb, dem Hauptstern des Sternbildes Schwan, den man im Sommer sehen kann. Dieser Stern wirkt eher unscheinbar und steht deshalb nur auf Platz 20 der hellsten Sterne am Nachthimmel. Doch der Schein trügt in diesem Fall. Seine Entfernung von etwa 3000 Lichtjahren verschleiert die Tatsache, dass es sich bei Deneb um einen Blauen Überriesen handelt, der 200-300 mal größer als unsere Sonne ist und bezogen auf den Anteil an sichtbarem Licht, das er unter anderem abstrahlt, zu den hellsten Sternen in unserer Galaxis gehört. Würde man Deneb auf denselben Abstand wie den Stern Wega bringen, also auf 25 Lichtjahre, würde Deneb vom Himmel so hell leuchten wie der Halbmond. Die Helligkeit, wie wir von der Erde aus die einzelnen Sterne sehen, bezeichnen die Astronomen daher als scheinbare Helligkeit bzw. genauer gesagt als „scheinbare visuelle Helligkeit“. Diese kann man von der Erde aus messen und so sind die Sterne in sogenannte Größenklassen eingeteilt. Dem gegenüber steht die tatsächliche Helligkeit oder tatsächliche Leuchtkraft eines Sterns, die Astronomen als „absolute Helligkeit“ bezeichnen. Diese kann man zwar nicht direkt messen; erhält sie aber auf Grundlage einiger durchaus etwas kniffliger Zusammenhänge dennoch. Die absolute Helligkeit ist in sogenannte Leuchtkraft-Klassen eingeteilt. An dieser Stelle wollen wir aber nur auf ein paar griffige Beispiele eingehen, damit Sie ein besseres Gefühl für die wahren Verhältnisse bekommen. … Sirius erscheint und aufgrund seiner Nähe um 3 Größenklassen heller, als er in Wirklichkeit ist. Ganz anders bei unserer Sonne. Sie steht uns mit nur 0,000016 Lichtjahren Entfernung derart nahe, dass sie uns extrem hell vorkommt. Doch in Wirklichkeit ist der Stern Sirius um fast 3,5 Größenklassen heller, als unsere Sonne. Sirius ist demnach mehr als 25 Mal so hell wie unsere Sonne. Es sorgt also nur seine Entfernung von 8,6 Lichtjahren dafür, dass er uns kleiner und dunkler als unsere Sonne vorkommt.

Unbedingt merken brauchen Sie sich diese Zahlen nicht. Denn in etwa 200.000 Jahren löst z.B. der Stern Wega den Sirius als hellster Stern am Nachthimmel ab. Denn Sterne durchlaufen eine Entwicklung und verändern sich dabei. Für den Augenblick eines Menschenlebens bekommt man davon nichts oder kaum etwas mit, dass sich bei den Sternen die Farben, Helligkeiten und Positionen permanent ändern. Alles ist in Bewegung. Und wen das beim Anblick des Sternenhimmels nicht bewegt, den bewegt vielleicht die Tatsache, dass es uns ohne die Sterne gar nicht geben würde …

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