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Chi Cygni-Ein sonnenähnlicher Stern am Ende seines Lebens

Der Stern Chi Cygni, 550 Lichtjahre entfernt im Sternbild Schwan (Cygnus), liegt im Sterben. Chi Cygni war ursprünglich ein Stern ähnlich unserer Sonne, ist aber wesentlich älter. Der Kernbrennstoff im Inneren ist praktisch aufgebraucht, so daß der Stern sich inzwischen zu einem Roten Riesen aufgebläht hat. Der Strahlungsdruck reicht nicht mehr aus, um ein stabiles Gleichgewicht mit der Schwerkraft durch die Masse des Sterns aufrecht zu erhalten. Der Stern wird instabil und beginnt zu pulsieren. 

Einem Wissenschaftlerteam am Smithsonian Astrophysical Observatory unter dem französichen Astronomen Sylvestre Lacour (Observatoire de Paris) gelangen Aufnahmen des pulsierenden Roten Riesen in noch nie gekannter Qualität. Dies erreichten sie, indem sie das Licht zweier Spiegelteleskope des Smithsonian’s Infrared Optical Telescope Array (IOTA) auf dem Mount Hopkins in Arizona zu einem Bild überlagerten (Interferometrie). Dadurch erreicht man einen scheinbaren Spiegeldurchmesser, der dem Abstand der beiden Teleskope entspricht und damit auch eine entsprechend hohe Auflösung. Die Aufnahmen wurden im Infraroten gemacht, da man mit diesen Wellenlängen die vom pulsierenden Riesenstern abgestossene Sternmaterie durchdringen kann.

Der Rote Riese Chi Cygni im Sternbild Schwan hat seinen Kernbrennstoff (nahezu) verbraucht, daher seine innere Stabilität verloren und pulsiert mit einer Periode von 408 Tagen. Quelle:  http://www.cfa.harvard.edu/

Die Wissenschaftler ermittelten eine Periode des pulsierenden Sterns Chi Cygni von 408 Tagen. Die Länge der Periode des pulsierenden Sterns erlaubt direkte Rückschlüsse auf Masse und absolute Helligkeit des Sterns und damit auch auf seine Entfernung. Dabei entspricht eine lange Periode einer grroßen absoluten Helligkeit und umgekehrt. Aus dem Verhältnis von scheinbarer Helligkeit (mit der der Stern am Himmel sichtbar ist) zu seiner aus der Pulsationsperiode bestimmbaren absoluten (tatsächlichen und entfernungsunabhängigen!) Helligkeit errechnet sich dann die Entfernung des Sterns zur Erde. Durch die genauere Bestimmung der Periode des veränderlichen Sterns Chi Cygni mit Hilfe der interferometrischen Aufnahmetechnik konnte also auch seine Entfernung zur Erde noch präziser ermittelt werden. In Zukunft könnte die Beobachtung von veränderlichen Sternen mit ähnlichen eigenschaften wie Chi Cygni vielleicht gute Dienste für noch genauere Entfernungsbestimmungen im Weltall leisten.

Sterne gewinnen ihre Energie aus Kernverschmelzungsprozessen (Kernfusion) bei denen ein Teil der Masse der Reaktionspartner direkt in Energie umgewandelt wird. Im Inneren des Sterns werden unter dem hohen Druck der Schwerkraft (Gravitation) Temperaturen von über 10 Millionen °C erreicht, Bedingungen unter denen Wasserstoff(kerne) zu Helium(kernen) verschmelzen. Dabei wird ein kleiner Teil der Masse der Wasserstoffkerne direkt in Energie umgewandelt. Die Kernfusion wird also letztlich durch die Gravitation angefacht und unterhalten. Die Leuchtkraft eines Sterns ist demzufolge masseabhängig.  Je größer die Masse, umso stärker wird der Stern im Inneren komprimiert und umso intensiver laufen die Kernfusionsprozesse. Allerdings wird dann auch der Kernbrennstoff schneller verbraucht. Eine erhöhte Masse und damit Leuchtkraft verkürzt somit die Lebensdauer und umgekehrt. Die durch die Kernfusion erzeugte Strahlung hält  den Stern im Gleichgewicht und verhindert, daß er unter der Last seiner eigenen Gravitationskräfte in sich zusammenfällt. Der Energietransport von innen nach außen geschieht hauptsächlich durch Strahlung, erst in den oberen Schichten des Sterns überwiegen Wärmeleitung und Konvektion.

Ist im Kern des Sterns der Wasserstoff aufgebraucht, so kommt die Kernfusion zum Erliegen, und der Kern fängt an unter seinem eigenen Gewicht zu schrumpfen. Die äußern Schichten des Sterns dehnen sich im Gegenzug gewaltig aus und der Durchmesser des Sterns nimmt dementsprechend zu. Der Stern wird zu einem Roten Riesenstern. Doch warum bläht sich der Stern auf, obwohl sein Kern doch schrumpft? Um das zu verstehen, muss man sich den Kern näher ansehen. Er enthält den inneren Kern, den eigentlichen Kernfusionsreaktor, der keinen Wasserstoff mehr enthält, sondern nur noch Helium, sozusagen die übrig gebliebene „Asche“ der Kernfusion. Die Kernhülle enthält aber nach wie vor unverbrauchten Wasserstoff. Durch das Schrumpfen des gesamten Kerns steigen die Temperaturen immer weiter an, bis schließlich die Kernfusion in der Kernhülle zündet (Wasserstoffschalenbrennen). Der dadurch einsetzende Energieausstoß erzeugt einen zunehmenden Strahlungsdruck, der die gewaltige Ausdehnung der äußeren Schichten des Sterns herbeiführt. Dabei verteilt sich die Energie auf eine überproportional anwachsende Oberfläche. Trotz zunehmender Strahlungsleistung wird pro Fläche weniger Energie abgestrahlt und die Oberfläche des Sterns kühlt ab, so daß der Stern seine Farbe von gelb nach rot verändert. Die Kernfusion in der Kernhülle lässt den inneren Heliumkern immer größer und schwerer werden, wodurch sich dieser weiter zusammenzieht. Die Wasserstoffschalenbrennen verlagert sich dadurch immer weiter nach außen und die äußere Sternenhülle bläht sich mehr und mehr auf. Der Stern wächst auf bis das 100fache(!) seines ursprünglichen Durchmessers. Dabei verschlingt er die meisten der inneren Planeten. Der sich aufblähende Rote Riesenstern verliert nach und nach deutlich an Masse, denn infolge der mit zunehmendem Durchmesser abnehmenden Schwerkraft an der Sternenoberfläche wird durch die zunehmende Teilchenstrahlung (Sternenwind) immer mehr Materie fortgerissen.

Sternentwicklung (H=Wasserstoff, He=Helium, Fe=Eisen). Quelle: Wikipedia

Überschreiten die Temperaturen im sich immer weiter verdichtenden Kern die 100 Millionen Grad-Grenze, so beginnt das Heliumbrennen. Dabei verschmelzen Heliumkerne zu Kohlenstoff, und es wird soviel Energie frei, daß sich neben den äußeren Hüllen auch der Kern des Sterns ausdehnt. Das Wasserstoffschalenbrennen erlischt, der Stern als Ganzes zieht sich wieder zusammen und ändert seine Farbe von rot wieder zu gelb. Wegen der extrem hohen Temperaturen laufen auch die Kernfusionsprozesse intensiver denn je, und das Helium im Kern ist schnell verbraucht. Erneut zieht sich der gesamte Kern zusammen. In der Kernhülle, wo es noch genug Helium gibt, zündet das Heliumbrennen. In den weiter außen liegenden Schichten, die sich ebenfalls verdichten startet mit dem Zünden des Wasserstoffbrennens jetzt erstmals eine Kernfusion. Durch dieses doppelte Schalenbrennen bläht sich der Stern erneut zum Roten Riesen auf. Der Stern wird instabil und beginnt zu pulsieren.

Bei Chi Cygni ist in einem Stadium, wo das Heliumbrennen im Kern dabei ist zu verlöschen. Der Stern hat bereits seine Stabilität verloren und pulsiert. Innerhalb einer Periode von 408 Tagen (s.o.) schrumpft Chi Cygni von 800 Millionen auf 500 Millionen Kilometer Durchmesser, um sich dann erneut auszudehnen. Dabei verliert der Riesenstern große Mengen an Materie. Chi Cygni erreicht schon jetzt ein Volumen, daß er in unserem Sonnensystem deutlich über die Marsbahn hinaus reichen würde. Ein Ausblick auf das, was die Erde am gegen Ende des Lebens unserer Sonne erwartet. Bis dahin werden allerdings noch 8 Milliarden Jahre vergehen. 

Am Ende wird der Kern des pulsierenden Roten Riesen unter seinem eigenen Gewicht endgültig zusammenfallen. Dabei verliert der Stern komplett seine äußeren Hüllschichten, und zurück bleibt der nackte, hoch komprimierte Kohlenstoffkern (entartete Materie), der als Weißer Zwerg langsam erkaltet. Die abgestoßene Sternenmaterie wird durch die vom Kohlenstoffkern ausgehende UV-Strahlung ionisiert und erscheint dann als ein in vielen farbenprächtig leuchtender „planetarischer“ Nebel.

Sehr massereiche Sterne mit mehr als 2,3 Sonnenmassen, die deutlich schwerer sind als Chi Cygni, verdichten sich vor ihrem endgültigen Ende unter ihrer enormen Schwerkraft sosehr, daß im Inneren ihrer Kerne noch weitere stark beschleunigte Kernfusionsreaktionen starten können, wobei immer schwerere Elemente bis hin zum Eisen entstehen. Aber sehr schnell ist auch hier aller Kernbrennstoff aufgebraucht. Der Stern fällt zusammen und stößt in einer spektakulären Supernovaexplosion seine äußere Hülle ab. In Abhängigkeit von seiner Masse endet der Stern entweder als Neutronenstern (wenn er trotz aller Masseverluste noch mehr als 1,4 Sonnenmassen hat), bei dem Protonen und Elektronen unter dem ungeheuren Druck zu Neutronen verschmelzen oder sogar als Schwarzes Loch (wenn mehr als 3 Sonnenmassen übrigbleiben), das unter der Wirkung seiner enormen Schwerkraft eine von unserem Universum losgelöste Raum-Zeit-Blase (Singularität) ausbildet.

Quelle: http://www.cfa.harvard.edu/news/2009/su200951.html

Jens Christian Heuer 

Stichworte: Sternentwicklung, Lichtstärke, Interferometrie -> Kleines Lexikon Astronomie

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Kategorien:Sterne
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