Alles hat seine Zeit! Diese häufig verwendete Redwendung besitzt in der modernen Astronomie eine Bedeutung, wie nie zuvor irgendwo. Seit dem es Astronomen möglich ist, den Kosmos detailliert hinsichtlich unterschiedlicher Mechanismen zu untersuchen, setzte sich schnell die Erkenntnis durch, dass die astronomischen Zeitskalen erheblich unterschiedlich im Vergleich zu den alltäglich irdischen sind. Was bei uns einige Minuten oder schlimmstenfalls Stunden dauert, benötigt im Universum schon mehrere Millionen bis Milliarden Jahre. Diese zeitliche Versetzung der Geschehnisse ist von weiterem und umfänglicherem Ausmaß als man zunächst annehmen könnte. Das Thema mit dem sich dieser Text befassen soll, ist eines von vielen Paradebeispielen dafür.

 

Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße ist übersäht mit Hunderten Millionen Sternen. Diese für uns optisch erfassbaren Objekte, scheinen tatsächlich zu existieren, nicht nur weil wir sie heute vermessen können, sondern auch weil es die physikalischen Gesetze so vorhersagen. Jedoch ist auch klar: Alles hat ein Anfang und ein Ende. Ist es uns möglich, Objekte im Zwischenstadium dieser beiden Begrifflichkeiten zu beobachten, sind immerhin definitive Rückschlüsse auf die Vergangenheit dieser Systeme möglich. Konkret heisst das: Aus der Tatsache, dass wir einen Stern mehr oder weniger in der Gegenwart beobachten, folgt, dass wir ihn auch hinsichtlich seiner Vergangenheit untersuchen können. Denn alles was damals mit dem Stern passierte, ist noch heute in Form von Objektinformation genauer in Form sogenannter Zustandsgrößen in ihm abgespeichert. Wir wollen uns heute der Frage widmen, wie ein Stern eigentlich im Detail entsteht und berücksichtigen dabei die aktuellsten Kenntnisse, die die Astronomie zur Sternentstehung erlangt hat.

 

Vorab: Auch wenn Sterne an sich sehr verschieden sein können, haben alle von ihnen eines gemeinsam: Sie bestehen aus Gas. So wie auch jeder Mensch einen individuellen und eigenständigen Charakter annimmt, und damit 7 Milliarden verschiedene „Typen“ auf dem Planeten Erde existieren, so besitzen doch alle ein Gehirn, dass in vielen Fällen angenähert die selbe Struktur hat. Die selben Ausgangsmöglichkeiten führen also zu verschiedenen Resultaten, und auch Sternentstehung hat in allen Fällen sich überschneidende Mechanismen die trotz ihrer individuell verschiedenen Wirksamkeit Einfluss auf die resultierenden Zustandsgrößen des Sterns haben. Sterne bestehen aus Gas. Aus der Beobachtung des gegenwärtigen Zustands können wir den ersten Rückschluss auf die Vergangenheit des Objektes ziehen: Gas muss an der Sternentstehung beteiligt sein. Was bietet sich da besser an, als riesige im All anzutreffende Molekülwolken die aus Hunderten Milliarden Tonnen Gas bestehen?

 

Allem Anschein nach findet Sternentstehung in riesigen Gaswolken statt. Das wissen wir, aus theoretischen Überlegungen die auch erstmalig unverwechselbare Kriterien für die Beobachtung junger Sterne postulierten. Das Gas, dass sich in diesen Wolken befindet ist unvorstellbar dünn. Auch wenn man auf den bunten, knalligen Bildern des Hubble-Teleskops immer wieder verdichtete Strukturen zu erkennen vermag, ist die Teilchendichte innerhalb einer solchen Wolke sehr klein. So ähnlich ist es auch bei Nebel, der aus der Ferne betrachtet sehr intensiv zu sein scheint. Steht man erst einmal in ihm drin, ist die Sicht jedoch schon eine weitaus klarere. Bei Sternen ist die Teilchendichte sehr groß! Folglich muss für die Sternentstehung das Gas komprimiert (zusammengedrückt) werden. Infrage kommt bei ausreichend hoher Wolkenmasse das Gravitationsfeld, das danach strebt die Gaswolke kollabieren zu lassen.

 

Dumm ist nur, dass Sternentstehung etwas vom menschlichen Alltag zu haben scheint. Kaum hat man einen Plan, gibt es Faktoren die ihn behindern wollen. Die Tatsache, dass wir eine Gaswolke sehen können hat zur Konsequenz, dass sie Licht abstrahlt. Licht setzt sich jedoch aus Photonen zusammen, und die besitzen einen Impuls, den sie innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls durch eine Fläche transportieren. Der so verursachte Druck wirkt der Gravitationskraft der Wolke entgegen, deren Vorhaben es eigentlich war einen Kollaps herbeizuführen. Die Temperatur der Gaswolke hat damit einen thermischen Druck zur Folge, sodass wir schreiben können:

 

Gravitationskraft < Thermischer Gasdruck

 

Doch die hohe Temperatur der Wolke ist nur eines vieler weiterer Probleme. Zusätzlich ist bekannt, dass nahezu alle Objekte im Kosmos Rotationsenergie besitzen. Sowohl Planeten wie Sterne, als auch Gaswolken besitzen einen Drehimpuls der zur scheinbaren Zentripetalkraft führt. Diese Kraft kennt vermutlich jeder, der schonmal auf einem Karussel saß. Dreht man sich nur schnell genug, fliegt man nach außen. Genau so sorgt die Zentrifugalkraft in einem rotierenden System für eine der Gravitation entgegenwirkenden Kraft. Doch damit sind wir immer noch nicht durch! Liegt die Wolkentemperatur oberhalb einer bestimmten Grenze, die mathematisch an die Saha-Gleichung gekoppelt ist, so tritt Ionisation ein und der in den Wolken vorhandene Wasserstoff gibt seine Elektronen ab. Diese besitzen nun eine Relativbewegung im Bezug auf die übrig gebliebenen Wasserstoffprotonen. Die daraus folgende Induktion eines Stroms ist auch an magnetische Effekte gekoppelt, die wiederum einen Druck auf die umliegenden Gasmassen ausüben. Wir haben also folgende Ausgangssituation:

 

Gravitationskraft < Thermischer Druck + Zentrifugalkraft + Magnetischer Druck

 

Für die Sternentstehung muss aber gelten:

Gravitationskraft > Thermischer Druck + Zentrifugalkraft + Magnetischer Druck

 

Erst wenn die Gravitationskraft die Oberhand gewinnt und größer ist als die Summe der einzelnen Teilkräfte in der Wolke, ist die Sternentstehung physikalisch möglich. Was also muss getan werden? Logischerweise ist es zwingend erforderlich die resultierenden Teilkräfte außer „Gefecht“ zu setzen, oder treffender formuliert: Außer Kraft zu setzen ;)

 

Fangen wir beim thermischen Druck an. Wie können wir die mittlere Temperatur in der Wolke verringern um den thermischen Druck abfallen zu lassen?

 

Die erste Möglichkeit dazu, bietet die sogenannte Synchrotronstrahlung. Unter der Annahme, dass es innerhalb der Gaswolke großräumig ausgedehnte Magnetfelder gibt, ist anzunehmen, dass negativ geladene Elektronen nicht exakt parallel zu den Feldlinien verlaufen. Nach den Gesetzen der Elektrodynamik werden sie dabei in eine spiralförmige Umlaufbahn um die Magnetfeldlinien gezwungen und auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Beschleunigte Teilchen jedoch, strahlen Photonen ab die schließlich die Gaswolke verlassen und zur Kühlung beitragen. Ein zweiter kühlender Mechanismus ist der sogenannte Compton-Effekt. Dabei kommt es zur Begegnung eines relativistischen Elektrons mit einem niederenergetischen Photon. Durch einen Zusammenstoß der beiden „Teilchen“, überträgt das Elektron einen Teil seiner kinetischen Energie auf das Photon. Eine Transformation zu höheren Energien und damit kürzeren Wellenlängen ist die Folge. Sinkt die Wolkentemperatur durch diese Prozesse erstmals auf moderate Werte ab, kommen sogenannte Stoßmechanismen ins Spiel. Auch das Zurückfallen bereits angeregter Elektronen der Wasserstoffatome auf niedrigere Bahnen, setzt einen Teil an Energie frei. Wesentlich ist aber, dass aufgrund der geringen Temperatur bereits entstandene Moleküle in Vibration versetzt werden können. Die Anregung dieses Zustandes funktioniert nur in diskreten Schritten und ist effizient, wenn die Ladungen im Molekül asymmetrisch verteilt sind. Ideal für einen Wolkenkollaps, bedingt durch vernachlässigbaren thermischen Druck, sind ca. 20 Kelvin, oder -253 °C. Zusammengefasst, tragen also im Wesentlichen drei Prozesse dazu bei, die Wolkentemperatur zu verringern:

 

  • Synchrotronstrahlung (bedingt Magnetfelder und damit Ionisation)

  • Compton-Effekt (bedingt Ionisation)

  • Vibrationsanregungen (bei gemäßigten Temperaturen)

 

Machen wir nun weiter mit der Zentrifugalkraft die durch die Rotation der Wolke bedingt ist. Der Drehimpuls ist in abgeschlossenen Systemen eine Erhaltungsgröße. Dieser Grundsatz der Physik, gilt immer und überall im Universum! Auch der Gesamtdrehimpuls einer Gaswolke kann sich also nicht einfach in „Luft auflösen“, sondern muss über andere Mechanismen effizient abgeführt werden. Was bietet sich an?

 

Visualisieren wir mal kurz und machen ein Gedankenexperiment: Es ist Umzug. Ihr werdet gerufen und habt die Aufgabe eine 50 Kg schwere Kiste zu tragen, und zwar alleine! Als ihr die Kiste hochhebt, merkt ihr plötzlich, dass sie schwerer ist als zunächst erwartet. Deswegen holt ihr euch eine zweite Person zu Hilfe um die Last aufzuteilen. Entscheidend ist jetzt, dass ihr als Teile eines größeren Systems weniger Last verspürt obwohl das Gesamtgewicht der Kiste konstant geblieben ist! Nach wie vor müsst ihr eine 50 Kg schwere Kiste tragen, jedoch teilt sich die Arbeit die ihr dafür aufbringen müsst im Idealfall durch zwei. Aus 50 Kg werden so für euch gesehen 25 Kg resultieren. Und der Gesamtdrehimpuls einer Gaswolke? Der wird natürlich auch nie verloren gehen, jedoch scheinbar geringer werden wenn man wie in unserem Gedankenexperiment das System unterteilt. Die Wolke fragmentiert, fällt in Tausende Einzelwolken auseinander und in denen ist der Drehimpuls nun vernachlässigbar klein. Für die Fragmentation der Wolke, werden aber selbstverständlich auch noch Bedingungen an die unmittelbaren Zustände der Gaswolke gestellt. Ist doch klar, bei der Komplexität. Infrage für ein „Auseinanderfallen“ kommen insbesondere Bereiche in denen die Dichte hoch und die Temperatur niedrig ist! Dort greift das sogenannte Jeans-Kriterium und ermöglicht Fragmentation in verschiedene Einzelwolken zur scheinbaren Verringerung des Gesamtdrehimpulses. Wir sind schon weit gekommen und trotzdem fehlt uns noch die Beseitigung einer Kraft, die dem Gravitationsfeld entgegenwirkt: Der magnetische Druck.

 

Mit zunehmender Kontraktion der Wolke müssen die Feldlinien auf einen sehr engen Raum gequetscht werden, der zur Erhöhung des magnetischen Druckes führt. Allerdings: Mit fortschreitender Kompression des Wolkengases steigt natürlich auch die Dichte im Zentrum. Damit wächst logischerweise auch die Wahrscheinlichkeit, dass sich Elektronen an andere geladene Teilchen binden und somit kein Anwärter mehr für das Aufbauen eines Magnetfeldes sind. Sie werden quasi aus dem Spiel genommen. Zusätzlich ist die Wahrscheinlichkeit, dass bereits rekombinierte Atome durch die Strahlung erneut ionisiert und folglich Elektronen frei werden, anlässlich der hohen Dichte im Zentrum ebenfalls unwahrscheinlich. Die Strahlung dringt ja nicht mehr durch. So hebt sich der magnetische Druck, durch den Kollaps in gewisser Weise selber auf. Und jetzt zu den Zeitskalen, die in der Einleitung oben beschrieben wurden. Für einen effizienten Abbau aller, den Kollaps verhindernden Prozesse bedarf es in der Regel einige Millionen Jahre. Was für uns Menschen unendlich lang erscheint, ist für den Kosmos gerade mal ein Wimpernschlag. Nachdem sich durch selbstverstärkende Prozesse, die Temperatur der Wolke auf extrem geringe Werte reguliert hat, durch die fehlende Ionisation keine Magnetfelder mehr entstehen können und durch die Fragmentation der Drehimpuls vernachlässigbar klein ist, kann es mit der Sternentstehung losgehen. Nun gilt:

 

Gravitationskraft > Thermischer Druck + Zentrifugalkraft + Magnetischer Druck

 

Nichts hält den Kollaps der Gaswolke mehr auf! Abhängig von ihrer Gesamtmasse und dem daraus resultierenden Gravitationsfeld, kommt es innerhalb der sogenannten Freifallzeit zum dynamischen Kollaps. Keine Kräfte, bis auf einige Reibungsmechanismen, wirken der Kompression entgegen. Die Zeit, die nun vergeht bis aus einer fragmentierten Gaswolke Sterne entstehen, ist abhängig von ihrer Dichte. Auch hier läuft es in der Regel auf Zeitskalen von mehreren Tausend Jahren hinaus. Für den Kosmos, eine Nanosekunde! Erstmals formieren sich durch den Kollaps inmitten der Wolke Hunderte sogenannte Protosterne. Heiße Klumpen bereits verdichteten Gases, die so etwas wie die Embryos der Sternentstehung sind. Bedingt durch Akkretionsprozesse und das anwachsende Gravitationsfeld der jungen „Vorsterne“ fällt immer mehr und mehr Masse auf sie drauf, die schließlich zur Erhöhung der Kerntemperatur und des Kerndruckes führt. Erstmals befindet sich der Protostern dann im sogenannten hydrostatischen Gleichgewicht. Dabei ist die Summe der nach außen wirkenden Kräfte genau so groß wie die, der nach Innen wirkenden (ähnlich wie im Anfangsstadium unserer Gaswolke). Allerdings kann der Stern noch keine Kernfusion betreiben, da die erforderlichen Zustandsgrößen auch nach Jahrtausenden anwährender Akkretion immer noch nicht gegeben sind. Der Stern, strahlt aber trotzdem schon Licht ab und muss diese Energiequelle durch etwas decken. Dafür, gibt es die sogenannte potenzielle Energie des Gravitationsfeldes oder schlicht ,,Lageenergie“. Verliert ein Stern potenzielle Energie, so schrumpft er und nach dem Virialsatz geht die Hälfte der beim Schrumpfen freiwerdenden Energie für die Wärme und die andere Hälfte für Strahlung drauf.

 

Mit zunehmender Masse findet der Stern schließlich irgendwann ein Stadium, in dem er durch sich selbstregulierende Prozesse das hydrostatische Gleichgewicht fortwährend neu justieren kann. Erst wenn gilt,

 

Gravitationskraft = Strahlungsdruck + Gasdruck + Zentrifugalkraft

 

kann es im Stern zur Kernfusion kommen. Die markiert schließlich den Übergang des Vorhauptreihensterns zum Hauptreihenstern. Und damit, sind wir schon am Ende unserer Sterngeburt...

 

Ob dieser zugegeben sehr lange Text das Wort „schon“ verdient, sei dahingestellt. Die einzelnen Prozesse und Mechanismen bei der Sternentstehung detailliert zu beschreiben ist meiner Meinung nach deswegen so wichtig, weil sich viele Zusammenhänge und logische Verknüpfungen erst dann auftun, wenn man gelegentlich auch in die Tiefen der Materie geht. Da gibt es eine Menge spannender Dinge zu entdecken, die einen in teils völlig neue Gedanken führen! Immerhin hoffe ich, dass sich viele offene Fragen jetzt geklärt haben. Es ist auch nicht sinnlos, sich über Prozesse zu informieren die einem die eigene Existenz versichern und deren Resultat, jeden Abend unter klarem Himmel eindrucksvoll zu bestaunen ist. Finden wir einen gelungenen Abschluss mit Immanuel Kant, der einmal sagte: ,,Alles, was die Natur selbst anordnet, ist zu irgendeiner Absicht gut. Die ganze Natur überhaupt ist eigentlich nichts anderes, als ein Zusammenhang von Erscheinungen nach Regeln; und es gibt überall keine Regellosigkeit.“