,,Du bist mein Sonnenschein“. Ein Satz, der sich in der heutigen Gesellschaft oft wiederfindet. Wir bringen mit ihm, die Zuneigung und vermehrte Orientierung, zielgerichtet an eine Person zum Ausdruck. Und auch sonst, der Sonnenschein ist schon etwas tolles! Man denke nur an die schönen Tage, an denen die Sonne unseren Gesichtern zugewandt ist. Aber auch der Sommer, der mit seinen schwülen und heißen Wetterverhältnissen oft Anlass, zum Spaß ist, soll hier keine untergeordnete Rolle spielen. Es gibt vermutlich noch diverse andere Beispiele, die uns zeigen welche Wirkung die Sonne als Himmelskörper auf den Menschen hat. Sie beeinflusst Gefühle, Stimmungen, Zustände und nicht zuletzt auch Handlungen von Lebewesen auf dem Planeten Erde. Es bedarf keiner physikalisch stark untermauerten Argumentation um zu erkennen, dass die Sonne für uns, lebensnotwendig ist. Sie ist in gewisser Weise, das Maß aller Dinge oder vielleicht direkt auf den Punkt gebracht ,,der Stern, der unser Leben trägt“! Angesichts dieser Aspekte, erscheint es doch verlockend der solaren Natur auf die Spur zu kommen, und die Geheimnisse unseres Zentralgestirns zu lüften.

 

Zum Glück, kann ich euch dabei eines vorweg nehmen: Die Wissenschaft ist bezüglich ihrer Forschung auf die Sonne, schon sehr weit gekommen. Aber wie heisst es so schön? ,,Viel Wissen bedeutet noch nicht Verstand“. Ein Ausdruck, den der Philosoph Heraklit prägte. Er gewinnt angesichts unserer gegenwärtigen Einstellung gegenüber der Art „Wissenschaft“ zu betreiben, eine ganz besondere Bedeutung.

 

Machen wir uns zunächst klar, was die Sonne eigentlich ist. Die Sonne ist ein Stern. Ein Stern, der für seine Verhältnisse dem absoluten Normalfall entspricht. Wie der Mensch, so ist auch der Stern für sich ein völlig eigenständiges Individuum, der entgegen der Auffassung vieler Physikmuffel mehr ist, als nur eine leuchtende Kugel aus Gas. Es ist interessant, den Begriff „Stern“ genau zu definieren. Die sehr frühe Annahme, ein Stern sei eine riesige Kugel aus Feuer, hat heute angesichts fehlender Wissenschaftlichkeit in unseriösen Quellen leider immer noch Bestand, erwies sich jedoch schon früh als falsch. Denn wie soll ein Feuer im Vakuum brennen können? Wo kein Sauerstoff ist, ist auch kein Feuer. Ein Stern, so sagt uns die Astrophysik, ist eine massereiche Gaskugel, die durch ihre eigene Schwerkraft zusammengehalten wird.

 

Angesichts der enormen Zustandsgrößen, die das Gas im Innern eines Sterns einnimmt, handelt es sich dabei jedoch gar nicht mehr um das Gas, wie wir es hier von der Erde kennen. Vielmehr, lässt sich ein derartiger Zustand physikalisch in Form eines Plasmas beschreiben. Um zu verstehen, wie das gemeint ist, sollte man mit dem Aufbau eines Atoms vertraut sein. Kurze Erinnerung: Ein Atom besteht aus einem Atomkern, in dem sich Protonen und Neutronen befinden und aus den Elektronen, die auf verschiedenen Bahnen um den Kern herumkreisen. Wird ein Gas sehr heiß, beispielsweise durch fortschreitende Kompressionsvorgänge, so kann es passieren, dass die Elektronen von den Atomkernen abgespaltet werden und die Atomkerne von nun an alleine ihr Dasein fristen.

 

Abhängig vom chemischen Element liegt dieser sogenannte Ionisationsgrad in der Größenordnung von einigen Tausend-, bis hin zu Hunderttausenden Grad Celsius. Da ein Stern zu etwa 80% aus Wasserstoff besteht, reicht eine Temperatur von gut 5 000 °C aus, um den Großteil des Gases in einen Ionisationszustand zu versetzen, sprich dem Wasserstoff seine negativ geladenen Elektronen zu entfernen. Bei physikalisch erfahrenen Lesern die hier einhaken und argumentieren, es handele sich dabei um nicht-relevante Beschreibungen, sei ein Verweis auf die Opazität der Sternatmosphäre, die radiativ geleiteten Bedingungen des Energietransportes und zuletzt auch auf die Stabilität der Schichtung gegeben.

 

Nun können wir also sagen, dass ein Stern eine Kugel aus glühendem Plasma ist, die durch ihre Schwerkraft einen Zusammenhalt erfährt. Doch was hat das mit der Sonne zu tun? Viel! Denn auch bei der Sonne handelt es sich letztlich um nichts anderes als ein repräsentatives Beispiel für die Definition des Begriffs „Stern“. Noch nicht geklärt ist aber zb., woher die Sonne ihre enorme Leuchtkraft hat. Jeder der schon einmal mit dem bloßen Auge in die Sonne geguckt hat (medizinisch ist davon nur abzuraten!) weiss, um was für Leuchtkräfte es sich da handelt. Wenn man astronomisch stärker orientiert ist, zeigt sich aber, dass auch andere Sterne wenn sie Hunderte Lichtjahre weit entfernt, trotzdem mit dem bloßen Auge sichtbar und nur wenige Millionen Kilometer groß, am Nachthimmel erscheinen, eine wahnsinnige Leuchtkraft von sich geben müssen. Was also verhilft dem Stern zur Erzeugung, dieser wahnsinnig hohen Leuchtkräfte?

 

Im Wesentlichen greift dort ein Prozess, den man angesichts der unwirklichen Bedingungen auf der Erde gar nicht mehr natürlich vorfindet: Die Kernfusion! Kernfusion ist ein unglaublich effizienter Mechanismus um bestehende Masse, direkt in Energie umzuwandeln. Dass dies tatsächlich möglich ist, konnte uns Einstein in seiner speziellen Relativitätstheorie, mit seiner weltweit bekannten Formel E = mc² nachweisen. Doch, dazu später!

 

Kernfusion ist die Verschmelzung von Atomkernen. Wie alle anderen Prozesse im Kosmos auch, stellt die Fusion spezifische Anforderungen an ihre Umgebung, die sich letztlich mit Bedingungszuständen ausformulieren lassen. Quantenmechanisch ist seit längerem bekannt, dass sich Ladungen gleichen Vorzeichens gegenseitig abstoßen. Wie also kann es dann sein, dass im Kern der Sonne bei extremsten Umständen zwei Protonen des Wasserstoffs miteinander verschmelzen? Wenn man es genau nimmt, hat sich die Frage mit einem Begriff aus der Fragestellung, quasi schon selbst geklärt. Es geht um die „extremsten Umstände“, die den theoretischen Modellrechnungen zufolge im Kern der Sonne ihr Dasein fristen müssen.

 

Nach der quantenmechanisch ausformulierbaren Heisenbergschen Unschärferelation, ist nichts auf quantenmechanischer Ebene 100%ig exakt! Natürliche Schwankungen und Fluktuationen in definierten Intervallen stellen daher völlig natürliche Unreinheiten der Natur dar, und lassen sich auch mathematisch nicht in Form eines Messfehlers korrigieren. Ort und Impuls eines Teilchens, können so stets zusammen nur mit einer gewissen Unschärfe bestimmt werden, die in etwa bei h/2*pi liegt, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum bedeutet. Ist so zb. Der Impuls eines Teilchens quantenmechanisch bekannt, so beträgt der Unsicherheitsfaktor in der Ortsbestimmung genau h/2*pi.

 

Nun ist die Heisenbergsche Unschärferelation aber kein physikalisches Themengebiet für sich. Tatsächlich öffnet sie nämlich noch viel mehr Türen, die zu quantenmechanisch unerklärbaren Phänomenen führen, und lässt so Effekte folgern, die physikalisch lange Zeit unbekannt waren. So verhält es sich auch mit dem allseits bekannten Tunneleffekt, und genau der ist es, der im Kern der Sonne unter den Zustandsgrößen hinsichtlich des sehr hohen Druckes, der hohen Dichte und der Temperatur von knapp 15,6 Mio. Grad, zwei Ladungen gleichen Vorzeichens, also Protonen miteinander verschmelzen lässt. Der sich bei einer Annäherung zwischen den Teilchen aufbauende Schutzwall, der sogenannte Coloumb-Wall, unterliegt auf Ebene der Quantenmechanik so auch zeitlichen Fluktuationen in Impuls und Ort. Und in seltenen Fällen kann es tatsächlich gelingen, dass zwei Protonen aufgrund quantenmechanischer Auswahlregeln eine Verschmelzung miteinander erfahren, weil sie ihren Coloumb-Wall aufgrund von natürlichen Fluktuationen überwinden konnten.

 

Und so kommt es, dass im Kern der Sonne seit ca. 4,6 Milliarden Jahren ununterbrochen eine Kernfusion zur Energieerzeugung führt und das System Sonne als Ganzes stabil hält. Nun haben wir schon eine Erklärung für die Kernfusion selber. Was nun noch fehlt, sind die jeweils dazugehörenden Reaktionsketten. Da die Sonne zu mehr als 70% aus Wasserstoff besteht, muss Modellrechnungen und physikalischen Überlegungen nach, auch ihr Kern mit Wasserstoffgas angefüllt sein. Folgende Reaktion ist Experimenten und Modellen zur Folge, die in der Sonne ständig ablaufende:

 

H1 + H1 ---> D2 + e + v

D2 + H1 ---> He3 + y

He3 + He3 ---> He4 + 2H1

 

Diese Fusionsstufe wird allgemein als PP-Kette bezeichnet. Zu sehen ist, dass zunächst zwei Wasserstoffprotonen zu einem Deuteriumatom (Isotop) verschmelzen. Dabei werden noch ein Positron e, und ein Neutrino v erzeugt, wovon das Positron als Antimaterieteilchen zum Elektron, sofort in einer Anihillation vernichtet wird, und ein zusätzliches Gammaphoton entsteht. Das Neutrino tritt anlässlich seines extrem geringen Wechselwirkungsquerschnitts nach wenigen Sekunden aus der Sonnenoberfläche aus. In der nachfolgenden Reaktion, trifft ein Deuteriumkern auf einen Wasserstoffkern, wobei das erste mal Helium vom Atomgewicht 3 synthetisiert wird. Zusätzlich entsteht ein hochenergetisches Gammaphoton. Im letzten Teil des Zyklus, treffen zwei Heliumkerne aufeinander und bauen Helium 4 und zwei Wasserstoffprotonen auf. Damit ist der Kreis geschlossen, und zusammengefasst lässt sich vereinfacht sagen, dass im Kern der Sonne Wasserstoff zu Helium verschmilzt.

 

Die Sonne zieht etwa 90% ihrer Energie aus dieser Reaktion. Die anderen 10% werden anlässlich der chemischen Komposition des Sonnenkerns, aus dem CNO-Zyklus gewonnen, auf den ich hier jetzt jedoch nicht ausführlicher eingehen möchte.

 

Was passiert nun mit der Energie, die im Innern des Sonnenkerns freigesetzt wird? Wie eine simple Beobachtung zeigt, wird sie von etwas an die Oberfläche getragen, ansonsten wäre die Sonne nämlich dunkel und nicht so gleißend hell wie sie am Taghimmel erscheint. Wie genau die verschiedenen Energietransportmechanismen im Innern der Sonne fungieren, ist ein zusätzlich recht weites aber auch extrem interessantes Feld der Sonnen- bzw. Sternphysik. Bevor wir einen Exkurs in diesen Bereich unternehmen, müssen wir jedoch noch etwas klären!

 

Auch wenn eine detaillierte Studierung der obersten solaren Atmosphärenschichten bezüglich optischer Verfahren das Gegenteil zeigen mag, ist die Sonne ein gemittelt sehr stabiler Körper im hydrostatischen Gleichgewicht. Seit längerem ist bekannt, dass sich nicht jeder Stern in unserer Galaxie zwangsweise in diesem Zustand befinden muss. Die Konfiguration des hydrostatischen Gleichgewichtes, stellt nämlich sowohl thermische als auch dynamische Anforderungen an das System ,,Stern“, die nur in speziellen Entwicklungsstadien hinreichend gut erfüllt werden können.

 

Die Sonne ist ein Stern auf der sogenannten Hauptreihe des Hertzsprung-Russel-Diagramms. Sterne die auf der Hauptreihe sind, befinden sich für allgemein in der stabilen Phase des Wasserstoffbrennens, und stellen ein exzellentes Selbstorganisationsphänomen dar. Sterne sind als massebehaftete Körper definiert, denen nach Newtons Gesetzen über die Regeln der Physik, daher ein Gravitationsfeld zugeschrieben werden kann. Nun weiss man, dass die Gravitationskraft auch als Vektorform darstellbar ist, und dementsprechend eine ausgezeichnete Wirkungsrichtung vorliegt. Diese Wirkungsrichtung steht repräsentativ für den Kern des Sterns. Wäre aber nur das Gravitationsfeld am Wirken, so würde der Stern unter seinem eigenen Gewicht binnen einer mathematisch vorhersagbaren Freifallzeit zusammenfallen! Tatsächlich ist sowohl der Gasdruck, der durch die Kompression des Gases vor allem in tieferliegenden Sonnenschichten erzeugt wird, und zusätzlich die Strahlung ausschlaggebend für die Konfiguration des hydrostatischen Gleichgewichtes.

 

Photonen (also Strahlung) besitzen zwar keine Ruhemasse, dafür aber einen Impuls der ihnen nach ihrer Energie spezifisch zugeteilt werden kann. Man nehme den Stern nun als kugelsymmetrisch an, und teile ihm daher eine Oberfläche O = 4*pi*r² zu. Da die Sonne über einen Radius r verfügt, und pi eine irrationale Naturkonstante darstellt, kann die Oberfläche O auch als Flächenelement beschrieben werden und da Impulstransport pro Zeit durch eine Fläche, einem Druck entspricht, spricht man im Falle der Sonne von einem nach außen wirkenden Strahlungsdruck.

 

Zusammenfassend kann man also sagen, dass das hydrostatische Gleichgewicht eine Konfiguration darstellt, die ein Stern erreicht wenn er die nach Innen wirkenden Kräfte mit den nach außen Wirkenden exakt in Balance hält. Geringfügige Abweichungen des hydrostatischen Gleichgewichtes, zb. durch die Annahme eines zeitlichen Anstiegs der nuklearen Energieerzeugungsrate, werden dabei innerhalb einer definierten hydrostatischen Zeitskala durch Selbsorganisationsphänomene ausgeglichen. Nun wie oben versprochen zu den Mechanismen des Energietransportes!

 

Wie bereits erwähnt, muss die Energie die im Kern der Sonne erzeugt wird, über verschiedene Mechanismen an die Oberfläche getragen werden. Die Bestimmung dieser Mechanismen erfolgt auf Basis der theoretischen Modellvorstellungen unter der Annahme, eines mit Annäherung an den Kern, exponentiell anwachsenden Druckes. Im Falle eines Hauptreihensterns gibt es im Wesentlichen zwei relevante Energietransportwege. Zum einen die Radiation, und zum anderen die Konvektion. Sehen wir uns das im Rahmen einer wissenschaftlichen Vorehensweise noch einmal etwas genauer an!

 

Radiation bedeutet Energietransport über Strahlungsdiffusion. Um die Radiation gegenüber der Konvektion dominieren zu lassen, bedarf es einer thermisch stabilen Schichtung in der plasmatischen Sternmaterie. Stabil heisst in dem Zusammenhang, dass die jeweiligen Massenelemente keinerlei Wärmeaustausch mit ihrer Umgebung haben dürfen! Generell nimmt man, wie für jeden anderen Punkt im Sterninnern auch, vereinfacht an, dass lokales thermisches Gleichgewicht in Radiationszonen vorliegt. Auch wenn dieses streng genommen nie erreicht werden kann, da die Temperatur unterhalb einer betrachteten Schicht stets höher ist als darüber, ist die Näherung meist sehr genau, da die mittlere freie Weglänge der Photonen klein ist, verglichen mit der Strecke über die sich die Temperatur merklich ändert. Bei einem vollständigen lokalen thermischen Gleichgewicht empfangen Strahlung und Materie zu jeder Zeit genau so viel Energie, wie sie anschließend wieder abstrahlen. So kann man eine isotherme Schichtung annehmen, in der die Temperatur zwischen den beiden Komponenten stets angenähert gleich ist. Mathematisch gesprochen, muss für die Ausbildung einer Radiationszone der radiative Temperaturgradient steiler als der Adiabatische sein. Insbesondere der tiefenabhängige Verlauf von Druck und Temperatur sind dabei entscheidend.

Mathematisch wird die Radiation als Wechselwirkung von Photonen mit umliegenden Teilchen in einer Schichtung des Sterns beschrieben. Dort vollziehen sich Prozesse wie Streuung, Absorption oder Reemission von Lichtpartikeln, die im Kern des Sterns entstehen und schließlich nach „außen“ strömen.

 

 

Die andere Möglichkeit des Sterns, freigewordene Energie über Konvektionsströme an die „Oberfläche“ zu tragen, wird in der Regel realisiert, wenn der Energietransport in einer bestimmten Sternschichtung nur schlecht erfolgen kann. Dies geschieht vornehmlich in Gebieten erhöhter Dichte. Stellarphysiker führen hier den Begriff der „Opazität“ ein, die ein Maß für die Lichtundurchlässigkeit ist. Steigt die Opazität mit zunehmender Tiefe an und führt eine teilweise Ionisation oder Dissoziation von Atomen zu einer Verkleinerung des adiabatischen Index, kann die Energie im Stern über Massentransport nach Außen getragen werden. Dies beginnt mit der Entstehung von kleinen Konvektionszellen tief im Sterninnern, die durch den zunehmenden Aufstieg an Größe und Ausdehnung zunehmen. An der Oberfläche sind schließlich Strukturen zu beobachten, die in der Solarphysik Bestandteil sogenannter Granulen sind. Die granulatartige Struktur der solaren Photosphäre ist ein direkter Beweis für die unter der Sonnenoberfläche ablaufenden Konvektionsströmungen.

 

Die theoretischen Modelle des Sternaufbaus, die ich in einem seperaten PDF-Format bereits zusammengestellt habe, zeigen darüber hinaus, dass an den Kernbereich unserer Sonne zunächst die Radiationszone anschließt. Sie erstreckt sich über knapp 70% des gesamten Sonnenradius. Das sind immerhin über 487 000 Kilometer. Die restlichen 209 000 Km gehen für die unter der Sonnenoberfläche liegende Konvektionszone drauf. An dieser Stelle ist die Erklärung des formalen Aufbaus unseres Zentralgestirns abgeschlossen, und wir tun sicher gut daran, die wesentlichen physikalischen Fakten zur Sonne aufzulisten:

 

Masse: 1,9889 * 10^30 Kg

Radius: 696 342 000 m

Durchmesser: 1 392 684 000 m

Effektivtemperatur: 5 778 K / 5505° C

Leuchtkraft: 3,8459*10^26 W
Spektralklasse: G2V

Mittlere Dichte: 1,408 g/cm³

Dichte im Sonnenkern: 150 g/cm³

Temperatur im Sonnenkern: 15 600 000 K

Alter: 4,57 *10^9 Jahre

Gravitationsbeschleunigung in der Photosphäre: 271 m/s²

Durchschnittliche Rotationsperiode: 27,6 Tage

Ausdehnung der Strahlungszone: 487 000 000 m

Ausdehnung der Konvektionszone: 209 000 000 m

 

Zusammenfassend haben wir geklärt woraus die Sonne besteht, wie sie ihre hohen Leuchtkräfte erzeugt, was sie stabil hält und wie sie die im Innern erzeugte Energie bis an ihre Oberfläche transportiert.

 

Messungen von Zustandsgrößen an anderen Sternen zeigen, dass die Sonne in Bezug auf ihre physikalischen Werte dem absoluten Normalfall entspricht. Unser Zentralgestirn liegt mit einer Masse von 1 Sonnenmasse rund 20% über dem Durchschnittswert für die mittlere Massengrenze von Sternen in unserer Galaxie. Ihre Spektralklasse G weist darauf hin, dass sie Calcium, Eisen und viele andere schwere Metalle in sich trägt, die Astrophysiker bei anderen Sternen ebenfalls spektroskopisch vermessen. Am Ende ist die Metallizität eines Sterns dann das Verhältnis von Wasserstoff und Helium zu Elementen die schwerer sind als diese beiden.

 

Kommen wir zum Schluss auch noch auf das Magnetfeld unserer Sonne zu sprechen. Auch hier existiert ein seperater und sehr ausführlicher Text von mir, der sich mit stellaren Magnetfeldern auseinandersetzt. Das Magnetfeld unserer Sonne baut sich durch einen Dynamoprozess auf. Das Zusammenspiel von Konvektion, in der eben erwähnten Konvektionszone unter der Oberfläche, und Rotation führt zur Verstärkung eines bereits existierenden Magnetfeldes, dass sich vor langer Zeit in der Sonne gebildet hat. Unsere Sonne zeigt Phänomene magnetischer Aktivität, die in speziellen Beobachtungsfiltern durch riesíge Auswürfe und Eruptionen heißen Plasmas beobachtet werden können. Wenn es zu magnetischen Kurzschlüssen in der solaren Photosphäre kommt, wird schlagartig ein Großteil von magnetischer Energie in Strahlungsenergie umgesetzt. Im Bereich der sehr intensiven elektromagnetischen Strahlung sind derartige Flares der Sonne dann häufig im Röntgenlicht zu beobachten. Sorgen machen müssen wir uns eigentlich nicht, da unsere Sonne durch die nachweisliche magnetische Aktivität zwar einen ständigen Wind von geladenen Teilchen in Richtung Erde schickt, verglichen mit anderen Sternen ist ihr Magnetfeld jedoch nicht allzu stark ausgeprägt. Würde man es euphemistisch ausdrücken sagte man wahrscheinlich: Sie kocht in Ruhe vor sich hin.

 

 

Und genau das wird sie auch noch weiter tun, und zwar für weitere 4 Milliarden Jahre! Was in dieser turbulenten und durchaus explosiven Zeit noch alles vor der Tür steht, ist in meinem Text ,,Die Zukunft unserer Sonne“ ersichtlich. Bis dahin ist es selbst in kosmischen Maßstäben noch eine ganze Weile. Ehe dieser Planet durch die physikalischen Zustandsänderungen seines Zentralgestirns unbelebt gemacht wird, müssen zunächst wir Menschen Abschied nehmen. Ihr wisst: Alles hat ein Ende, nur die Wurst hat zwei.