Es mutet fragwürdig an zu glauben, die Erde sei ein vom Kosmos isoliertes System und auf Prozesse die sich in ihm abspielen nicht angewiesen. Das alltägliche Problem, dass darin besteht ständig eine Erkenntnisgrenze überschreiten zu müssen, um die Welt als Ganzes vollkommen verstehen zu können, müssen wir trotzdem stets im Hinterkopf behalten. Schon immer war es für den Menschen vorteilhaft, wenn die Dinge, die er gerne untersuchen wollte unmittelbar vor ihm waren, sprich sich in greifbarer Nähe befanden. Eine detaillierte Untersuchung und der Aufbau einer engen Beziehungsstruktur waren dabei jeweils die Folge. Beziehungen erkennt der Mensch aber nicht nur global begrenzt, sondern auch in sehr großräumigen Kontexten und größtenteils unabhängig vom Zeitpunkt. Aus genau diesem Grund erkannte man schon früh, dass die Sonne für uns und alle anderen Planeten des Sonnensystems, die unerschöpfliche Quelle allen Lebens war. Eine helle Scheibe, die mit einer einfachen Schutzbrille betrachtet keinerlei große Besonderheiten zeigt. Alles in allem, sind also keine gravierenden Veränderungen des Sonnenkörpers zu beobachten. Mithilfe moderner Teleskope hat man sich aber von der Vorstellung verabschieden müssen, die Sonne sei ein durchweg „fehlerfreier“, vollkommener und dynamisch stabiler Körper in dem sich nichts tut. Lediglich bezogen auf die oberflächlichen Gesamtsysteme die den Sonnenkörper prägen, trifft die eben erwähnte vollkommene Stabilität zu.

Wie wir schon lange wissen, führt Instabilität in Systemen zu zeitlichen Veränderungen. Wenn aber der Sonnenkörper als Ganzes stabil ist, mit Ausnahme einiger Aktivitäten, so müssen wir keine Änderung befürchten! Und tatsächlich, scheint genau das der Fall zu sein. Im Moment, doch bei der Berücksichtigung eines klugen und erwiesenermaßen völlig korrekten Spruchs heisst es ja: ,,Nichts währt ewig.“ Und genau das, ist das Thema des folgenden Textes. Wie geht es mit der Sonne weiter?

 

Zunächst etwas grundsätzliches zur Vorgehensweise bei einer solchen Frage. Wir (das sind Du und Ich) erlauben es uns, die Sonne als ein sich selbst organisierendes, komplexes Rückkopplungssystem aufzufassen. Die Eigenschaften eines streng linear determinierten Systems, entsprächen einer einfachen Buchstabenfolge, bei der aus jeweils einem Vorfaktor (Ursache) ein Nachfaktor (Wirkung) resultiert. Es gilt also:

 

A → B → C → D → E → F usw.

 

 

 

Baut man in ein solches System, einen Rückkopplungsmechanismus ein, so funktioniert es auf eine andere Art und die Zustände die zb. Fakor D herbei geführt hat, wirken auf A zurück. Man würde also schreiben können:

A –> B → C → D → A → B → C → D usw...

 

Der Sonnenkörper als Ganzes besteht aus vielen kleinen Subsystemen, deren zeitliche und räumliche Stabilität repräsentativ für das Gesamtsystem ist. Hierfür schreibt man:

 

System Gesamt = S1 + S2 + S3 + S4 + S5...

 

Abhängig von der Anzahl der Subsysteme (die kann man sich abhängig von der Untersuchung selber aussuchen) bedarf es nun einer ganz bestimmten Anzahl der in ihnen auftretenden Instabilitäten um das System Gesamt ebenfalls nennenswert zu verändern. Mit diesem Vorwissen, geht es zurück zur Sonne...

 

Erst wenn viele verschiedene Subsysteme in der Sonne (zb. Die Energieerzeugung oder der Druck im Kern usw.) aus der vorhergesehenen Stabilität kommen, können die Störungen auf das Gesamtsystem übergreifen und von uns beobachtet werden. Ernsthafte Störungen des Sonnenkörpers sind aber auch mit den besten Teleskopen nicht ausfindig zu machen. Das bedeutet: Die aller meisten sich in der Sonne befindlichen Subsysteme befinden sich gerade in dem Gleichgewicht, dass die Natur physikalisch vorschreibt. Aber wird das so bleiben?

 

Unsere Sonne ist gegenwärtig 4,56 Milliarden Jahre alt. Sie befindet sich momentan in der „Blüte ihres Lebens“, und ist gekennzeichnet durch Kernfusionsprozesse die im Innern unter extrem hohen Temperaturen und Drücken ablaufen. Kernfusion bezeichnet das Verschmelzen von Atomkernen, mit der Folge, dass sich durch die Erhöhung der Protonenzahl im Kern von Atomen neue schwerere Elemente aufbauen. Da der Sonnenkörper momentan zu etwa 78% aus Wasserstoff besteht, verschmelzen nur (!) im Kern Wasserstoffprotonen zu Heliumatomen. Die dazugehörige Reaktionsgleichung wird als PP-Reaktion beschrieben und ist:

H1 + H1 → D2 + e+ + v

D2 + H1 → He3 + y

He3 + He3 → He4 + 2H1

 

 

Zwei Protonen (H1) verschmelzen zunächst zu einem Wasserstoffisotop (Deuterium) und erzeugen ein Positron und ein Neutrino. Im zweiten Teil der Reaktion stößt das Deuteriumatom auf ein weiteres Proton und es entsteht das erste mal Helium zusammen mit einem Gammaphoton, sprich hochenergetischem Licht. Der letzte Teil der Gleichung ist für uns jetzt unerheblich. Viel entscheidender ist die Tatsache: Der im Kern der Sonne vorhandene Wasserstoff wird verbraucht und in Helium umgewandelt. Damit Helium aber weiter fusionieren kann und zwar zu Kohlenstoff, braucht der Stern eine Kerntemperatur von 100 Mio. °C! Da kommen wir später hin.

 

Anhand der Leuchtkraft der Sonne ist einfach zu berechnen, wie viel Wasserstoff pro Sekunde in Helium umgewandelt wird. Daraus ergibt sich, dass noch etwa weitere 3,7 Milliarden Jahre Wasserstofffusion im Kern der Sonne fortgesetzt werden kann. Und dann? Wie geht es dann weiter?

 

Momentan ist die Sonne im sogenannten hydrostatischen Gleichgewicht. Das bedeutet, die Summe der nach Innen wirkenden Kräfte ist den nach außen wirkenden exakt gleich. Alle Kraftfelder heben sich also auf, und eine Gesamtkraft 0 wirkt somit auf die Sonne. Aufgrund der Masse des Sonnenkörpers muss ein Gravitationsfeld danach streben, alles zusammenzuziehen. Wäre das aber die einzige Kraft die da ist, so würde die Sonne einfach implo- und anschließend explodieren. Aus die Maus :(

Stattdessen gibt es mehre innere Kräfte, die aus den eben angesprochenen Subsystemen resultieren und der Gravitationskraft entgegenwirken. Dazu zählen zb. Der Gasdruck, der Strahlungsdruck und die Zentrifugalkraft. Für die Erfüllung des hydrostatischen Gleichgewichtes, dass zb. einsetzende nennenswerte Pulsationen des Sonnenkörpers unterbindet, muss gelten:

 

Gravitationskraft = Strahlungsdruck + Gasdruck + Zentrifugalkraft

 

Und in der Tat, diese Gleichung ist derzeit erfüllt. Und noch etwas kommt dazu: Oben hatte ich von Selbstorganisation gesprochen. Ein typisches Merkmal für Systeme mit ausgestatteter Rückkopplung. Sollte die Sonne aus unerklärlichen Gründen, kurzzeitig doch einmal aus dem hydrostatischen Gleichgewicht austreten, so konfigurieren es die Gesetze der Physik schlagartig neu. Es gibt zwei Möglichkeiten, die für einen solchen Austritt in Frage kommen:

 

  1. Die Sonne erzeugt mehr Energie als sie durch ihre Leuchtkraft verliert. Es resultiert aus dieser Tatsache ein in der Sonne vorherrschender Überschuss an Energie (Energieexzess). Den Überschuss an Energie kann die Sonne schnell ausgleichen, wenn sie anfängt sich auszudehnen und somit die Temperatur die durch den Energieanstieg stark angewachsen ist wieder zunehmend geringer wird. Expansion führt immer zur Abkühlung. Dadurch dass sich aber auch die Kerntemperatur verringert, nimmt die Effizienz und Quantität der Fusionsreaktionen ab und die Leuchtkraft wird folglich geringer.

  2. Die Sonne verliert mehr Energie über ihre Leuchtkraft als sie im Innern erzeugen kann. In diesem Fall muss die Sonne auf ihre sogenannte Gravitationsenergie zurückgreifen. Die Gravitationsenergie der Sonne lässt sich mit einer einfachen mathematischen Formel berechnen und ist gleich der potenziellen Energie (Lageenergie) des Gravitationsfeldes. Nach dem sogenannten Virialsatz wandelt die Sonne während sie schrumpft, die Hälfte ihrer Gravitationsenergie in Strahlung, die andere Hälfte in Hitze um. Die Hitze führt aber zur Erhöhung der Kerntemperatur. Die Fusionsreaktionen laufen schneller und die Leuchtkraft wächst wieder auf den Normalwert an, bis die obige Gleichung erfüllt ist.

 

 

Das die Sonne sich als selbsorganisierendes System eigenständig reguliert, liegt vor allem daran, dass die Effizienz der Kernfusionsprozesse im Kern Temperaturabhängig ist. Wäre die PP-Reaktion (die ja wie oben beschrieben Wasserstoff zu Helium umwandelt) temperaturunabhhängig würden die Fusionsprozesse wohl ziemlich schnell aus dem Ruder laufen mit dem Ergebnis, dass die Sonne instabil würde. Aber das ist, wie eben schon erwähnt, ja momentan nicht der Fall. Aber später! Denn in 3 Milliarden Jahren, beginnt das erste Subsystem der Sonne nämlich ihr Kern Probleme zu bekommen. Der Kern besteht fast nur noch aus Helium und für eine „Weiterfusion“ dieses Elementes, ist der Kern schlichtweg nicht heiß genug. Es gibt kurzzeitig keine Kernfusionsprozesse mehr im Stern mit dem Ergebnis, dass der Strahlungsdruck des Heliumkerns entfällt. Ohne Kernfusion gibt es kein Licht und ohne Licht gibt es auch keinen Strahlungsdruck, der der vorherrschenden Gravitationskraft entgegenwirkt. Der Kern muss deswegen unter seiner eigenen Schwerkraft kollabieren und wird kleiner. Die dabei freiwerdende Hitze wird an die Wasserstoffhüllen die sich noch um den Kern herum befinden weitergeleitet, bis eine schmal begrenzte Schale um den Kern herum anfängt Wasserstoff zu Helium zu fusionieren, um den Strahlungsdruck den es im Kern ja nicht mehr geben kann, wieder aufrechtzuerhalten. Das Zentrum des Sterns fällt stattdessen weiterzusammen. Es bilden sich aber keine Lücken zwischen dem Kern und den weiter außen liegenden Schalen. Auch die wasserstoffbrennende Schale um den Kern herum, fällt auf den Kern hinauf, was die Temperatur in ihr wieder ansteigen lässt. Folglich produziert der Stern nun mehr Strahlungsenergie und zur Aufrechterhaltung des hydrostatischen Gleichgewichtes muss er als Ganzes expandieren. Nun entwickelt sich die Sonne zu einem sogenannten Roten Unterriesen, mit einem Radius von etwa 5 Sonnenradien und einer Oberflächentemperatur von 4 900 °C , die sich über die gesamte Zeit hinweg konstant halten wird! Hier ist schließlich auch noch von einem einsetzenden Sternthermostaten die Regel. Was ist denn damit schon wieder gemeint?


Gemeint ist ein natürlicher Regelmechanismus, der die Oberflächentemperatur aller bekannten Unterriesen zeitlich reguliert (selbstorganisierend, versteht sich ;) ) Im Innern des Sterns ist es zwar extrem heiß, die äußeren Schichten jedoch, sind aufgrund der vorangegangenen Expansion wesentlich kühler geworden. Das Phänomen der Ionisation ist sicher bekannt. Ein Wasserstoffatom kann unter sehr hohen Temperaturen und intensiven Strahlungsprozessen sein Elektron verlieren, wobei schließlich nur noch das Proton als Kern übrig bleibt. In den äußeren Schichten des Sterns ist es schließlich so kühl, dass der dort vorhandene Wasserstoff sich zusätzliche Elektronen anbinden kann und Wasserstoffionen entstehen. Mit zunehmender Anzahl der Wasserstoffionen wird die betroffene Schicht aber auch wesentlich undurchlässiger für Strahlung. Es gibt einen Strahlungsstau! Der treibt aber die Temperatur in die Höhe und der resultierende Anstieg der Zustandsgröße T schlägt sich schließlich in einer Ionisation des Wasserstoffs nieder. Die zusätzlichen Elektronen werden also wieder vom Wasserstoff abgetrennt, die Schicht kühlt ab und der Prozess beginnt von neuem. Er sorgt dafür, dass sich die Oberflächentemperatur (bzw. Effektivtemperatur weil Unterriesen streng genommen schon gar keine Oberfläche mehr haben) selbstregulierend auf einem konstanten Wert von etwa 4 900 °C hält.

 

Im Innern des Kerns passieren plötzlich sonderbare Dinge. Aufgrund der zunehmend stärkeren Kontraktion, wird der Platz zwischen einzelnen Teilchen immer enger. Die Längenskalen verkürzen sich auf mikroskopische Ebene. Die Welt des Allerkleinsten, wird jedoch von quantenmechanischen Prozessen beschrieben. Die Quantenmechanik schreibt schließlich vor, dass sich der Sternkern in sogenannte Quantenzellen aufteilt. Es dürfen höchstens zwei Elektronen in eine Quantenzelle hinein, sofern sich die Richtung ihres Spins (Eigendrehimpuls) unterscheidet. Aufgrund der größer werdenden Platznot für die Elektronen, kommt es schließlich zur Ausübung eines Druckes. Aber nicht, weil die Temperatur dort so hoch ist, sondern weil die Materie auf unvorstellbar kleine Größen zusammengedrückt wird und es zur Ausübung des sogenannten Fermi-Drucks kommt. Der Fermi-Druck wirkt nun der Gravitationskraft des Kerns entgegen und stoppt zunächst einen weiteren Kollaps.

 

Im weiteren Verlauf tut sich im Stern zunächst wenig. Die Phase des Roten Unterriesen dauert zig Millionen Jahre an. Dabei fusioniert die wasserstoffbrennende Schale immer mehr Wasserstoff zu Helium, welches schließlich auf den sich „unten“ liegenden Kern fällt und seine Masse weiter anwachsen lässt. Auch die wasserstoffbrennende Schale wird nun immer heißer und fusioniert quantitativ verstärkt. Als Antwort auf die im Überschuss erzeugte Energie muss sich der Stern erneut aufblähen, diesmal jedoch auf einen wesentlich größeren Durchmesser mit geringer werdender Effektivtemperatur und stark steigender Leuchtkraft. Aus dem Roten Unterriesen wird nun ein Roter Riese mit folgenden Zustandsgrößen:

 

Masse: 1 Sonnenmasse

Leuchtkraft: 70 Sonnenleuchtkräfte

Oberflächentemperatur: 4 200 °C

Radius: ~ 26 Sonnenradien

 

Beispiele für bereits existierende Rote Riesen in unserer Milchstraße mit einer Ausgangsmasse die der Sonnenmasse gleich kommt sind Arktur, Pollux oder Etamin. Den oben erwähnten Angaben liegen übrigens Modellrechnungen zugrunde, die die Entwicklung für unsere Sonne simuliert haben! Wer einmal miterleben möchte, wie die Sonne in 3 Milliarden Jahren aussieht, der nimmt sich doch einen der obigen Sterne zb. Arktur mal hervor und beobachtet ihn mit einem Teleskop. Auch wenn von einer Röte, wie es der Name Roter Riese suggeriert nichts zu erkennen ist, wird man einen dunklen Gelbton feststellen können (auch schon mit dem bloßen Auge). Wer einmal, so richtig rote Sterne beobachten will, sollte es mit Kohlenstoffsternen wie T Lyr, V Aql oder RS Cyg probieren. Das lohnt sich! Zurück zum Thema.

 

Rund 200 Millionen Jahre sind bis jetzt vergangen. So lange dauert es bis die Sonne in Form ihres Endes als Hauptreihenstern bis zur Phase des Roten Riesen braucht. Gemessen an den rund 9 Milliarden Jahren Lebenszeit, nicht allzu viel. Der nun entstandene Rote Riese hat aber ebenfalls noch seinen großen Auftritt. Mit zunehmender Fusion von Wasserstoff zu Helium in der Schale, fällt immer mehr und mehr frisch erbrütetes Material auf den entarteten Heliumkern. Wir erinnern uns, dass durch die Platznot der Elektronen der quantenmechanische Fermi-Druck der Schwerkraft entgegenwirkt. Man spricht im Zustand des Kerns auch von Entartung. Der entartete Kern gewinnt schließlich immer mehr Masse durch die Schale. Die Temperatur steigt im Innern nun auch immer weiter an, bis irgendwann die 100 Mio. Grad Celsius Marke geknackt ist. Nun kann die nächste Fusion starten! Das im Kern erbrütete Helium verschmilzt zu Kohlenstoff. Man spricht vom Triple-Alpha-Prozess, der nach folgendem Muster abläuft:

 

He4 + He4 → Be8 + y

He4 + Be8 → C12 + y

 

y steht für ein hochenergetisches Gammaphoton. Aus zwei Heliumkernen bildet sich zunächst Beryllium, das jedoch nach sehr kurzer Zeit schon wieder zerfällt und sich deswegen sehr beeilen muss um einen weiteren Heliumkern zu finden und zu Kohlenstoff zu verschmelzen.

 

Mit dem Beginn des Heliumbrennens steigt dort auch die Fusionsrate und folglich die Temperatur rapide an. Innerhalb von nur einigen Stunden geraten die Fusionsprozesse aufgrund der extremen Zustände völlig außer Kontrolle. Zum Glück, gibt es da noch die gute alte Expansion! Der Kern dehnt sich einfach aus, und die Temperatur verringert sich, das zieht dann wieder eine geringere Fusionsrate nach sich. Aber der Kern kann ja nicht expandieren! Er ist entartet und im quantenmechanisch stabilen Zustand. Erst wenn durch den überschüssigen Energiegewinn aus dem Heliumbrennen die thermische Energie mit dem Fermi-Druck gleichzieht kann der Kern expandieren um abzukühlen. Die darin gespeicherte Energie von sage und schreibe 100 Mio. Sonnenleuchtkräften (!) wird nun schlagartig in die äußeren Hüllen geleitet und dort vollkommen abgefangen. Dem Stern sieht man von außen deswegen nicht richtig an, was in ihm passiert. Astrophysiker reden beim eben erwähnten Prozess der schlagartigen Expansion des eigentlich entarteten Kerns vom sogenannten Heliumblitz. Nun dehnt sich der Kern wieder aus, ist nicht mehr entartet und kurzzeitig erreicht unser Roter Riese einen stabilen Zwischenzustand bei dem er im Kern Helium zu Kohlenstoff fusioniert und in der Hülle darum nach wie vor, Wasserstoff zu Helium. 

 

 Unser ursprünglich so stolzer Roter Riese fängt aufgrund der Expansion des Kerns wieder an, schwächer zu werden. Seine Leuchtkraft sinkt um den Faktor 100 und auch sein Radius verkleinert sich um den Faktor 10. In der stabilen Phase des Heliumbrennens wird unsere Sonne erstmalig zu einem echten Pulsationsveränderlichen Stern mutieren. Sie wird zu einem RR-Lyrae-Stern. Wieso das so ist, und welche Relevanz es für die Astrophysik hat erfahrt in meinem anderen Text ,,Pulsationsveränderliche Sterne“.

 

Das Heliumbrennen ist an sich sehr effizient auch wenn die Energieausbeute bei der Fusion nun wesentlich geringer wird. Es müssen für die Deckung der Leuchtkraft viele Heliumatome in der gleichen Zeit zusammenkommen was zur Konsequenz hat, dass der Brennstoff schnell verbraucht ist. Wenn sich im Kern schließlich nur noch Kohlenstoff und Spuren anderer Elemente finden lassen, bildet sich um den Kern eine weitere Brennschale aus, in der nun die Fusion von Helium zu Kohlenstoff fortgesetzt wird. Erneut gibt es im Kern jedoch keinen Strahlungsdruck mehr! Der Kern fällt erneut zusammen, entartet nun auch wieder und die äußeren Brennschalen fallen wie schon beim Ende der H-Fusion auf den Kern nach. Erneut wird im Stern ein Überschuss an Energie produziert. Es kommt zur erneuten Expansion, diesmal jedoch, zieht die Expansion unvorstellbare Zustandsgrößen mit sich. Für einen sogenannten Roten Überriesen mit einer Sonnenmasse finden wir:

 

Masse: 0,9 Sonnenmassen (durch einsetzende Pulsationen verliert der Stern große Massenteile)

Leuchtkraft: 200 Sonnenleuchtkräfte

Oberflächentemperatur: 3 800 °C

Radius: 200 Sonnenradien

 

Aus unserem Stern wird über die Entwicklungsstufen:

 

  • Hauptreihe

  • Roter Unterriese

  • Roter Riese

schließlich ein Roter Überriese. Beispiele für Rote Überriesen in der Milchstraße sind Aldebaran, Beteigeuze, Mira, Mirach oder Tejat Prior. Unsere Sonne wird in diese Phase die Planeten Merkur und Venus verschluckt haben. Auf der hypothetisch noch existierenden Erde ist vieles ungewiss. Die Oberflächentemperatur dürfte zu dieser Zeit bei etwa 2 000 °C liegen. Leben ist absolut unmöglich. Die Sonne füllt vermutlich 70% des gesamten Himmels aus, ein echtes apokalyptisches Wunder! Ob die Erde auch von der Sonne verschluckt wird ist noch ungewiss, vermutlich wird sich ihr Bahnradius um die Überriesen-Sonne jedoch um 28% erweitern, weil die von der Sonne ausgehenden Gravitationskräfte massiv nachlassen. Uns wird es da schon lange nicht mehr geben...

 

Unser Roter Überriese ist aufgrund seiner ausgedehnten Schichten nun extrem instabil. Ständig verliert er durch Pulsationen große Teile seiner Masse. Dadurch dass nie beide Fusionsschalen im Innern gleichzeitig fusionieren sondern entweder nur die H- oder die He-Schale wird es in regelmäßigen Zeitabständen von etwa 10 000 Jahren zu thermischen Pulsen kommen. Die Überriesen-Sonne verliert ständig mehr Masse, ist völlig deformiert und aufs massivste instabil.

 

Das Ende folgt schließlich, wenn die Sonne 60% ihrer Ursprungsmasse verloren hat. Was übrig bleibt ist der ausgebrannte Kern aus Kohlenstoff, der in Form eines Weißen Zwerges im leeren schwarzen Kosmos zurückbleiben wird. Und dann ist das Kapitel unserer Sonne beendet.

 

Bis dahin ist noch sehr viel Zeit. Statt über diese ferne Zukunft Gedanken zu verlieren, sollten wir lieber das hier und jetzt genießen! Wenn ihr morgens aufsteht, solltet ihr wissen, dass das Objekt, dass euch ob mit oder ohne Bewölkung Strahlen ins Gesicht zaubert, irgendwann nicht mehr da sein wird. Georg Christoph Lichtenberg hält es da ganz ähnlich: ,,Die Sanduhren erinnern nicht bloß an die schnelle Flucht der Zeit, sondern auch zugleich an den Staub, in welchen wir einst verfallen werden.“