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Archive for the ‘Astronomiegeschichte’ Category

Die Anfänge der modernen Kosmologie

1576 Thomas Digges und das unendliche Weltall

Im Jahre 1576 veröffentlichte der englische Mathematiker und Astronom Thomas Digges (1546-1595) eine englische Übersetzung und anschließende Diskussion des damals höchst umstrittenen Hauptwerks von Nikolaus Kopernikus (1473-1543) über das heliozentrische Weltsystem.

Digges unterstützte Kopernikus, ging aber in seinen Schlussfolgerungen wesentlich weiter als dieser. Während Kopernikus noch von einer  Fixsternsphäre als äußere Begrenzung des Sonnensystems (und damit auch der gesamten Welt) ausging und insofern noch mit den Vertretern des geozentrischen Modells (mit der Erde im Mittelpunkt) übereinstimmte,  sah Digges die Sterne als ferne Sonnen ähnlich der unsrigen an, verstreut in einem von ihm als unendlich betrachteten Universum.

Karte des Sonnensystems von Thomas Digges (1546-1595). Quelle: Wikimedia

Derartige Ansichten zu vertreten, war damals nicht ganz ungefährlich. Giordano Bruno(1548-1600), ein italienischer Theologe und Philosoph dachte ähnlich wie Digges und vertrat das auch offensiv in aller Öffentlichkeit. Sogar von außerirdischem Leben auf Planeten anderer Sterne sprach er. Die katholische Kirche sah das gar nicht gerne und stellte ihn dafür vor ein Inquisitionstribunal. Das verurteilte ihn wegen Ketzerei und ließ ihn nach jahrelanger Haft und Folterungen in Rom öffentlich auf dem Scheiterhaufen verbrennen.

Immanuel Kant, die Entstehung der Sonnensysteme und die Vielzahl der Welteninseln

Im Jahre 1755 erschien die „Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels“ des deutschen Philosophen Immanuel Kant (1724-1804). Darin behauptete er, unser Sonnensystem sei auf natürliche Weise entstanden, als eines unter vielen. 

Immanuel Kant (1724-1804) Quelle: Wikipedia

Sterne und ihre Planeten bilden sich nach der Theorie von Kant aus Gas- und Staubwolken, die sich unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft zusammenziehen und verdichten.

Dabei beginnen sie zu rotieren, drehen sich wegen der Erhaltung des Drehimpulses immer immer schneller (wie eine sich drehende Eisläuferin, die ihre Arme anzieht) und werden gleichzeitig im Zentrum immer dichter und wärmer bis sich schließlich ein Stern bildet. Infolge der Eigenrotation formt sich um den Stern herum eine langsam abkühlende Gas- und Staubscheibe, aus der sich durch zufällige Verdichtungsprozesse und unter dem Einfluss der Schwerkraft die Planeten bilden. Die Theorie von Kant zur Entstehung von Sternen und Planeten kann inzwischen als bestätigt gelten. Bei jungen Sternen wurden immer wieder auch Gas- und Staubscheiben (protoplanetare Scheiben) entdeckt. In einigen gibt es sogar ein oder mehrere Lücken entdeckt, ein deutlicher Hinweis auf bereits fertige Planeten, die alle Materie auf ihrer Umlaufbahn eingesammelt haben.

Protoplanetare Scheiben (Proplyds) – so wie von Immanuel Kant vorhergesagt – im Orionnebel einer Sternentstehungsreaktion in unserer Milchstraße. Quelle: Hubble Telescope (http://www.spacetelescope.org/)

Ausgehend von den Beobachtungen des englischen Astronomen Thomas Wright (1711–1786), der das am Himmel sichtbare Band der Milchstraße als Querschnitt durch eine riesige rotierende Scheibe von Sternen ansah, welche sich auf Grund der Schwerkraft zusammengefunden hatte, folgerte Kant, daß die zahlreichen runden, elliptischen oder spiralförmigen Nebel, die man  damals in immer größerer Anzahl entdeckte, nichts anderes waren als ferne Welteninseln, ähnlich wie die Milchstraße. Die Milchstraße und das Universum waren also nicht dasselbe, sondern es gab viele Welteninseln (Galaxien) in einem Universum, das unendlich viel größer war als zuvor gedacht.

Mit seiner Theorie von den vielen Welteninseln vertrat Kant damals eine Minderheitenmeinung. Die meisten Astronomen hielten die Nebel für Objekte innerhalb der Milchstraße. Man dachte an von nahen Sternen beschienene Gas- und Staubwolken oder an Planetensysteme in ihrer Entstehungsphase  (protoplanetare Scheiben). Erst mehr als 150 Jahre später wurden die revolutionäre Welteninseltheorie von Kant durch Beobachtungen bestätigt, als es dem Astronomen Edwin Hubble gelang, den Spiralnebel Andromeda (und später auch andere Galaxien) in Einzelsterne aufzulösen (s.u.).  

1826 Wilhelm Olbers und das Paradoxon des ewigen unendlichen Weltalls

Im Jahre 1826 fiel dem deutschen Astronomen Heinrich Wilhelm Olbers (1758-1840) bei der Betrachtung des Weltalls ein verblüffender Widerspruch auf:  Wenn das Weltall tatsächlich únendlich und ewig war, wie die meisten Astronomen seinerzeit annahmen, dann musste der Nachthimmel doch eigentlich gleißend hell sein. In einem unendlichen und ewigen Weltall hätte das Licht jedes Sterns die Erde längst erreicht, da ja schon unendlich viel Zeit verstrichen ist. Der Himmel wäre dann überall so hell wie die Oberflächen der Sterne selbst.

Das Olbers Paradoxon des unendlichen und ewigen Weltalls. Quelle: Wikipedia

Das war aber ganz offensichtlich nicht der Fall. Eine naheliegende Erklärung für dieses Olberssche Paradoxon war die Annahme, daß das Universum eben nicht unendlich ist und auch noch nicht ewig existiert. Auch dunkle Staub- und Gaswolken, die das Sternenlicht vielerorts vielleicht abschirmen waren kein Ausweg, denn Strahlung absorbierende Materie heizt sich auf und beginnt ebenfalls zu strahlen, irgendwann sogar mit derselben Helligkeit wie die Sterne.

1838: Friedrich Wilhelm Bessel und die Parallaxe von 61 Cygni

Der deutsche Astronom Friedrich Wilhelm Bessel an der Königsberger Sternwarte schaffte es im Jahre 1838 erstmals die Entfernung zu einem anderen Stern zu bestimmen. Dabei bediente er sich der Parallaxenmethode. Das Prinzip dieser Methode lässt sich anhand eines von jedermann leicht durchzuführenden Experiments gut veranschaulichen. 

Friedrich Wilhelm Bessel (1784-1846). Quelle: Wikipedia

Man strecke einen Arm aus und peile über den Daumen zunächst mit dem linken Auge (während man das rechte Auge geschlossen hält) ein weiter entferntes Objekt der Umgebung an. Dann schließe man das linke Auge und peile mit dem rechten Auge. Der Daumen springt nach links, weist also nicht mehr auf das ursprünglich angepeilte Objekt. Je weiter der Arm ausgestreckt wird, je weiter entfernt also der Daumen, umso geringer der Daumensprung und umgekehrt.

Das linke und das rechte Auge sehen die Umgebung aus einem leicht unterschiedlichen Blickwinkel. Diese Winkeldifferenz, die Parallaxe ist von der Entfernung der wahrgenommenen Objekte abhängig und damit auch die Grundlage der räumlichen Wahrnehmung. Aus den Bildern des linken und des rechten Auges konstruiert das Gehirn anhand der unterschiedlichen Winkeldifferenzen der unterschiedlich weit entfernten Objekte einen räumlichen Eindruck der Umgebung.

Da die Erde die Sonne in einem Jahr umrundet, muß sich im Laufe eines halben Jahres die wahrgenommene Position eines nahen Sterns gegenüber weiter entfernten Hintergrundsternen sichtbar ändern. Dabei entspricht der nahe Stern dem Daumen bei unserem kleinen Versuch, die Hintergrundsterne entsprechen den weiter entfernten Objekte der Umgebung vor denen der Daumen hin und her springt, und der Erdbahndurchmesser entspricht dem Abstand zwischen linkem und rechtem Auge. Die gemessene Winkeldifferenz der Positionsänderung des nahen Sterns, wird als Sternenparallaxe bezeichnet. Je weiter entfernt ein Stern, umso geringer die Parallaxe.

Die einfache Parallaxenmethode zur Entfernungsbestimmung von Sternen. Quelle: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/ (verändert)

Bessel bestimmte die Parallaxe des Doppelsterns 61 Cygni im Sternbild Schwan. 61 Cygni zeigt eine deutliche Eigenbewegung gegenüber seinen Nachbarsternen am Himmel, bei denen es sich also um weiter entfernte Hintergrundsterne handeln muß, eben deshalb ohne erkennbare Eigenbewegung.

 Der Doppelstern 61 Cygni im Sternbild Schwan. Quelle: Wikipedia und http://www.epsilon-lyrae.de/

Bessel ermittelte eine Entfernung zu 61 Cygni von 10,5 Lichtjahren, was beinahe dem heutigen Wert von 11,4 Lichtjahren entspricht.

Mit der Parallaxenmethode stieß man jedoch sehr schnell an Grenzen, denn bei Entfernungen über 100 Lichtjahren wurde die Parallaxe unmeßbar klein.

Mit einer modifizierten Parallaxenmethode, der Sternstromparallaxe kommt man schon deutlich weiter. Allerdings funktioniert die Methode nur bei sich bewegenden offenen Sternhaufen, wie den Hyaden im Sternbild Stier (ca. 350 Sterne).

 

Der Bewegungssternhaufen der Hyaden im Sternbild Stier. Quelle: Far Away Worlds (erstellt mit Stellarium)

Die Mitglieder eines solchen Sternhaufens bewegen sich auf parallelen Bahnen, die aus perspektivischen Gründen (ähnlich wie zwei parallelen Eisenbahnschienen zum Horizont hin) scheinbar auf einen gemeinsamen Fluchtpunkt zulaufen. Dieser liegt im Falle der Hyaden beim roten Riesenstern Beteigeuze im Sternbild Orion. Damit kennt man die Richtung der wahren räumlichen Bewegung, also auch der wahren Geschwindigkeit. Die von dem Beobachter weg oder auf ihn zugerichtete Bewegung (Radialgeschwindigkeit) lässt sich unter Nutzung des Doppler-Effekts bestimmen. Bei einem Stern, der sich relativ auf den Beobachter zubewegt, treffen die Wellenberge der elektromagnetischen Strahlung in kürzeren Abständen ein, mit einer höhern Frequenz und einer kürzeren Wellenlänge (Blauverschiebung) als wenn der Stern ruht. Entfernt sich der Stern, so verhält sich das genau umgekehrt (Rotverschiebung). Das Ausmaß der Blau- oder Rotverschiebung zeigt die Geschwindigkeit mit welcher sich der Stern nähert oder entfernt. Diesen Dopplereffekt kann man auch im Alltag erleben. Der Ton des Martinshorns eines vorbeifahrenden Polizei oder Krankenwagens klingt höher (höhere Frequenz) als im Stand, solange sich das Fahrzeug nähert, aber tiefer (niedrigere Frequenz), wenn es sich wieder entfernt.

Aus der Radialgeschwindigkeit und der wahren Bewegung (wahre Geschwindigkeit) des Sterns ergibt sich die Geschwindigkeit am Himmel senkrecht zur Beobachtungsrichtung (Tangentialgeschwindigkeit) . und damit auch die Eigenbewegung des Sterns innerhalb eines bestimmten Zeitraumes. Diese Eigenbewegung erscheint in Abhängigkeit von der Entfernung des Sterns unter einem mehr oder weniger kleinem Winkel, der für mehrere Sterne des Sternhaufens gemittelt die Sternstromparallaxe ergibt. Eine kleine Sternstromparallaxe weist auf eine große Entfernung des Sternhaufens hin, eine große Sternstromparallaxe zeigt hingegen eine relativ geringe Entfernung an.

Sternstromparallaxe (Erklärungen im Text). Quelle: Far Away Worlds

Mit der Länge der Beobachtungszeit werden die Parallaxen der einzelnen Haufensterne immer größer. Damit nimmt die Genauigkeit der Sternstromparallaxen-Methode zu und natürlich auch die Größe der bestimmbaren Entfernungen.

1909-1913 Das Hertzsprung – Russel Diagramm

Die Sterne im Universum weisen eine große Vielfalt auf: Es gibt hell leuchtende oder nur schwach glimmende Sterne, darunter viele Einzelsterne, aber noch mehr Doppelsterne, Dreifachsterne, ja sogar Mehrfachsterne, die einander (um einen gemeinsamen Schwerpunkt) umkreisen. Sterne haben viele verschiedene Farben, abhängig von ihrer Oberflächentemperatur: Von den eher „kühlen“ roten Sternen, über orangene, gelbe, grüne bis hin zu den ganz „heißen“ weißen und blauen Sternen.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts  kamen die beiden Astronomen Ejnar Hertzsprung und Henry Norris Russel unabhängig voneinander auf die Idee, die absolute Leuchtkraft der Sterne in Bezug auf ihre Farbe (Hertzsprung 1909) und später dann noch genauer auf ihr Farbspektrum(Russel 1913) in einem Diagramm grafisch darzustellen. 

Die Analyse der Farben des Sternenspektrums war schon damals ein nicht mehr wegzudenkendes Verfahren der Astronomie. Bei der Spektralanalyse wird das Licht eines Sternes mit einem Prisma oder Beugungsgitter in sein Farbspektrum, also in seine verschiedenen elektromagnetischen Wellenlängen zerlegt. Das Spektrum erlaubt vor allem genaue Rückschlüsse auf die Temperatur der Lichtquelle. Je höher die Temperatur, umso mehr überwiegt das kurzwellige, blauviolette Ende des Spektrums, je niedriger die Temperatur, umso mehr das rote Ende. Die feinen dunklen Linien im Spektrum (Fraunhofer-Linien) kommen durch Atome in der Sternatmosphäre zustande, die das über alle Wellenlängen kontinuierliche Sternenlicht bei bestimmten Wellenlängen absorbieren und dann zerstreuen. Die Fraunhofer-Linien lassen so genaue Rückschlüsse auf die elementare Zusammensetzung der Sternatmosphäre und damit auch des Sterns zu.

Spektralklassen und Hertzspung-Russel-Diagramm (HRD). Quelle: ESA, Far Away Worlds

Die meisten Sterne liegen im Hertzsprung-Russel Diagramm auf der von links oben nach rechts unten verlaufenden Hauptreihe. Unsere Sonne  (Spektraltyp G) liegt in der Mitte der Hauptreihe, die roten Zwergsterne (Spektraltyp M) unten rechts, die massereichen Sterne (Spektraltypen O und B) oben links.

In der Zeit als Hertzsprung und Russel ihr Diagramm vorstellten, wusste noch niemand genau, wodurch unsere Sonne und die anderen Sterne ihre Energie eigentlich gewinnen. Nachdem die Astronomen in den 1920er und 1930er Jahren aber herausgefunden hatten, daß Sterne ihre Energie aus Kernfusionsprozessen gewinnen – wobei Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen (Wasserstoffbrennen) – vermuteten sie, daß die Hauptreihe des Hertzsprung-Russel Diagramms verschiedene Sternentwicklungsphasen widerspiegelten: 

Durch das fortlaufende Wasserstoffbrennen im Inneren eines Sterns reichert sich dort das schwerere Helium immer mehr an. In dem  durch und durch konvektiven Stern werden Helium und Wasserstoff aber so gut durchmischt, daß es niemals an Wasserstoff für eine Fortsetzung der Kernfusion im Inneren des Sterns mangelt. Ja mehr noch, die höhere Dichte durch den wachsenden Heliumanteil verdichtet den alternden Stern, sorgt so für steigende Temperaturen und damit auch für eine erhöhte Kernfusionsrate. Ältere Sterne verbrauchen deshalb ihren nuklearen Brennstoff sehr schnell , verlöschen bald, kühlen dann ab und werden dabei immer röter. Junge Sterne erscheinen dagegen hell und blauweiß. Sie befanden sich oben links auf der Hauptreihe. Im Alter verlieren sie an Leuchtkraft, wandern nach unten rechts auf der Hauptreihe und  werden blassrot. Soweit die Theorie. Allerdings gab das Hertzsprung-Russel-Diagramm nach wie vor  Rätsel auf, denn es gab auch Sterne abseits der Hauptreihe. So hatte man rote Sterne mit hoher Leuchtkraft oberhalb und blauweiße, äußerst leuchtschwache Sterne unterhalb der Hauptreihe gefunden.

1912: Henrietta Swan Leavitt und die Leuchtkraft der Cepheiden

Seit 1902 studierte die amerikanische Astronomin Henrietta Swan Leavitt (1868-1921) am Observatorium der Harvard University Sterne mit periodisch veränderlicher Leuchtkraft (Veränderliche) in der Großen und Kleinen Magellanschen Wolke, zwei kleinen irregulären Nachbargalaxien der Milchstraße (s.u.).

Henrietta Swan Leavitt (1868-1921) Quelle: Wikipedia

Zur damaligen Zeit galten die Magellanschen Wolken noch nicht als eigenständige Galaxien, sondern lediglich als Sternansammlungen innerhalb der Milchstraße. Im Jahre 1912 entdeckte Leavitt bei einem bestimmten Typ veränderlicher Sterne, den Cepheiden, einen direkten Zusammenhang zwischen der Periodendauer und der Leuchtkraft. Je länger die Periode, je langsamer der Stern also pulsierte, umso größer war die Leuchtkraft (im Maximum und Minimum der Periode) und umgekehrt.

Perioden-Leuchkraft-Beziehung der Cepheiden für das Helligkeitsmaximum und -minimum. Man erhält zwei Geraden, also eine lineare Beziehung, wenn Periodendauer und Leuchkraft logarithmisch aufgetragen werden. Quelle: Leavitt (1912).

Cepheiden sind hell leuchtende Riesensterne, die mit großen Teleskopen über Millionen Lichtjahre auszumachen sind. Die Perioden-Leuchtkraft-Beziehung der Cepheiden lässt sich zur Entfernungsmessung  über solch große Distanzen nutzen, da sich aus der Periodendauer unmittelbar die absolute Leuchtkraft dieser Sterne ergibt. Vergleicht man die so ermittelte absolute mit der entfernungsabhängigen scheinbaren Helligkeit, so kann man auf die Entfernung der Cepheiden schliessen, denn die wahrgenommene Helligkeit eines Sternes sinkt mit dem Quadrat seiner Entfernung. 

Pulsation und Helligkeit eines Cepheiden. Quadratisches Abstandsgesetz. Quellen: http://www.mso.anu.edu.au/ und http://leifi.physik.uni-muenchen.de/ (verändert)

Bei einer Verdopplung der Entfernung verteilt sich die gleiche Strahlung auf die vierfache Kugelfläche, bei einer Verdreifachung auf die neunfache usw.. Allerdings muss die Entfernungsmessung anhand der Perioden-Leuchtkraft-Beziehung noch kalibriert werden, indem man die Entfernung mindestens einiger Cepheiden mit einer unabhängigen Meßmethode bestimmt und damit dann auch deren absolute Helligkeit  kennt. Allerdings gab es keine Cepheiden, die nah genug waren, um ihre Entfernung mit der einfachen Parallaxenmethode zu bestimmen.

Durch den Vergleich der absoluten Helligkeiten der Hauptreihensterne der Hyaden -die man aus der mit der Sternstromparallaxe gemessenen  Entfernung dieses offenen Sternhaufens herleiten konnte- mit den scheinbaren Helligkeiten der Hauptreihensterne der Magellanschen Wolken konnte man direkt deren tatsächliche Entfernung abschätzen. Damit waren auch die absoluten Helligkeiten der Cepheiden bekannt und die Perioden-Leuchtkraft- Beziehung der Cepheiden konnte kalibriert werden.

1919 Eddington zeigt Lichtablenkung im Gravitationsfeld der Sonne und beweist damit die Krümmung des Raumes

Der englische Astronom Arthur Stanley Eddington (1882-1944) leitete im Jahre 1919 eine Expedition auf die Vulkaninsel Príncipe im Golf von Guinea in Westafrika, um eine totale Sonnenfinsternis zu beobachten, die am 29. Mai 1919 solte. Eddington wollte die Lichtablenkung durch das Schwerefeld der Sonne nachweisen, welche der Physiker Albert Einstein (1879-1955) in seiner Allgemeine Relativitätstheorie vorausgesagt hatte. Einstein beschrieb darin, wie Materie und Energie, die einander äquivalent sind, gemeinsam Raum und Zeit beeinflussen. Raum und Zeit bilden dabei eine Einheit, die 4-dimensionale Raumzeit. Eine Masse krümmt, in Abhängigkeit von ihrer Größe, den sie umgebenden Raum und verlangsamt in ihrem Einflußbereich die Zeit .

Eine Masse von der Größe der Sonne müsse daher in der Lage sein, so Einstein, den sie umgebenden Raum deutlich meßbar zu krümmen. Sterne in unmittelbarer Nähe der Sonne müssten dann gegenüber ihrer wahren Position am Himmel ein wenig versetzt erscheinen, weil ihr Licht durch die Krümmung des Raumes abgelenkt wird. Dieser Effekt liess sich aber nur bei einer totalen Sonnenfinsternis ausmachen, da die Sonne normalerweise alle (und erst recht unmittelbar benachbarte) Sterne hoffnungslos überstrahlt.

Arthur Eddington (1882-1944) lieferte den ersten direkten Beweis für die Krümmung des Raumes und damit für die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins. Quelle: Wikipedia, American Scientist

Eddington gelang es nun bei der Sonnenfinsternis vom 29.Mai 1919 eine Verschiebung der scheinbaren Position der Sterne nahe der Sonne in genau dem von Einstein vorhergesagtem Umfang nachzuweisen. Damit lieferte er den ersten direkten Beweis für die Krümmung des Raums und die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins.

1923: Edwin Hubble und die Expansion des Weltalls 

In den Jahre 1922 und 1923 untersuchte der Astronom Edwin Hubble mit dem damals weltgrößten 2,5m Hooker-Spiegelteleskop am Mount Wilson Observatorium den Andromedanebel (M31, Nr.31 in dem Katalog der Sternhaufen, Galaxien und Nebel des französichen Astronomen Charles Messier), einen Spiralnebel, den man  schon mit bloßem Auge am Himmel erkennen kann. Die Natur der Spiralnebel war seinerzeit umstritten.  Einige Astronomen meinten, es handele sich um ferne Sternansammlungen, ähnlich unserer Milchstraße. Die meisten Astronomen betrachteten die Spiralnebel jedoch nach wie vor als  Objekte innerhalb unserer Milchstraße (s.o.). 

Hubble gelang es nun aber, den Andromedanebel M31 eindeutig in Einzelsterne aufzulösen. Unter den einzeln aufgelösten Sternen entdeckte er auch einige veränderliche, regelmäßig pulsierende Cepheiden.

Mit Hilfe der Cepheiden konnte Hubble nun erstmals auch die Entfernung zum Andromedanebel bestimmen. Sie betrug volle 1 Million Lichtjahre, also  weit außerhalb unserer Milchstraße. Damit war die Sache entschieden. Der aus vielen Einzelsternen bestehende Andromedanebel war eine eigenständige Galaxie, eine Welteninsel ähnlich unserer Milchstraße.

Andromeda Galaxy (M31) Source: Palomar Observatory

Durch die Hubbles Entdeckung der wahren Natur der Spiralnebel war das Weltall auf einmal plötzlich viel größer geworden.

Hubble unterschätzte die Entfernung des Andromedanebels sogar noch, denn es stellte sich später heraus, daß es zwei unterschiedliche Cepheidentypen mit unterschiedlichen Perioden-Leuchtkraft-Beziehungen gibt. Kalibriert man dementsprechend neu, so ergibt sich eine Entfernung von rund 2,2 Millionen Lichtjahren zur Andromeda-Galaxie. An der grundsätzlichen Richtigkeit der Erkenntnisse Hubbles ändert das aber nichts.

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Edwin Hubble (1889-1953) and 2,5m (100 inch) Hooker-Teleskope at Mt.Wilson Observatory Source: Wikipedia, http://www.astro.caltech.edu/

Hubble entwickelte auch ein System der Klassifizierung von Galaxien, das diese nach ihrem optischen Erscheinungsbild in Form eines Stimmgabeldiagramms ordnete. Es gab die elliptischen Galaxien am Griff der Stimmgabel. Sie waren rund oder eher langgestreckt (E0-E7). Dort wo die Zinken mit den Spiralgalaxien abzweigten war eine flache Scheibe (S0), eine Spirale ohne erkennbare Arme. Die Spiralgalaxien unterteilten sich in gewöhnliche Spiralen (Sa-Sc) und in Balkenspiralen (SBa-SBc), die sich jeweils in der Ausprägung ihres Kernbereichs und ihrerSpiralarmen unterscheiden. Ausserhalb des eigentlichen Stimmgabeldiagramms ordnete Hubble die irregulären Galaxien ein. Dabei handelte es sich um Sternansammlung ohne erkennbare Ordnungsstruktur.

Hubble´s Stimmgabel-Diagramm zur Klassifizierung der Galaxien. Es gibt elliptische und Spiralgalaxien, daneben aber auch noch irreguläre Galaxien. Quelle: Wikipedia

Hubble vermutete, daß sich hinter dem Stimmgabeldiagramm ein Entwicklungsprozess der Galaxien verbirgt, konnte dafür aber keine Beweise finden.

Hubble gelang noch eine weitere Entdeckung, die unser Bild vom Weltall entscheidend veränderte. Er fand eine Beziehung zwischen den Entfernungen der Galaxien und dem Dopplereffekt in ihren Spektren. Fast alle Galaxien zeigten eine Rotverschiebung in ihren Spektren, die umso größer war je größer die Entfernung. Mit anderen Worten nahezu alle Galaxien entfernten sich von unserer Milchstraße, wobei die Fluchtgeschwindigkeit mit  wachsender Entfernung zunahm. War am Ende, wenn nicht die Erde, so vielleicht doch immerhin unsere Milchstraße der Mittelpunkt des Weltalls?

Hubble fand einen gesetzmäßigen Zusammenhang zwischen den Entfernungen der Galaxien und ihrer Fluchtgeschwindigkeit, der auf eine Expansion des Weltalls hindeutet. Quelle: Edwin Hubble (http://www.pnas.org/)

Doch dem ist nicht so, wie man sich anhand eines einfachen Modells schnell klar machen kann. Der Hefeteig eines Rosinenkuchens stehe für das Weltall und die Rosinen für darin befindlichen Galaxien. Beim Aufgehen dehnt sich der Teig in alle Richtungen aus, so daß auch die Abstände zwischen den Rosinen größer werden. Aus der Sicht jeder beliebig herausgegriffenen Rosine eilen alle anderen Rosinen davon und zar umso schneller, je weiter sie entfernt sind. Das muss auch so sein, da mit wachsender Entfernung sich mehr Teig zwischen ihnen befindet, der sich ausdehnen kann. Genauso ist es auch beim Weltall. Der Raum zwischen den Galaxien dehnt sich aus und damit auch das gesamte Weltall (Expansion des Weltalls). Mögliche Beobachter in jeder dieser Galaxien wähnen sich im Mittelpunkt des Weltalls, da sich aus ihrer Sicht alle anderen Galaxien entfernen. Da alle Galaxien gleichberechtigt sind gibt es aber überhaupt keinen wirklichen Mittelpunkt des Weltalls. 

Wie oben beschrieben beobachtet man bei nahezu allen Galaxien eine Rotverschiebung. Aber warum nicht bei allen? Galaxien schliessen sich über begrenzte Entfernungen infolge ihrer gegenseitigen Masseanziehung (Gravitation) zu Gruppen und Haufen zusammen. So bildet unsere Milchstraße mit der Andromedagalaxie (M31) und anderen Nebeln die „lokale Gruppe“. Gruppenmitglieder nähern sich dabei desöfteren sogar einander an. Deshalb beobachtet man unter den näheren Galaxien auch  immer wieder einmal eine Blauverschiebung im Spektrum. Im größeren Maßstab betrachtet, entfernen sich jedoch alle Galaxien voneinander und man misst regelmäßig eine Rotverschiebung.

Große Unsicherheiten gab es aber bei der Entfernungsbestimmung der Galaxien. Bei weiter entfernten Galaxien waren die Cepheiden nicht mehr auszumachen und Hubble musste auf andere, höchst unsichere Methoden ausweichen. So gab es beispielsweise die Möglichkeit die scheinbare Helligkeiten von Gaswolken oder Sternexplosionen (Novae und Supernovae) in weit entfernten Galaxien mit der Helligkeit ähnlicher Erscheinungen in näheren Galaxien zu vergleichen, deren Entfernung man bereits kannte. Bei weit entfernten Galaxienhaufen machte sich Hubble die Tatsache zu Nutze, daß es dort immer eine besonders massereiche elliptische Galaxie im Zentrum gab. Hubble ging davon aus, daß sie eine Obergrenze für die mögliche Masse von Galaxien darstellten, also die maximal mögliche Galaxienhelligkeit besaßen. Unter dieser Annahme ließen sie sich als Standardkerzen für die Entfernungsbestimmung nutzen. 

Trotz all dieser Unsicherheiten, an der von Hubble entdeckten Expansion des Universums war kaum zu zweifeln. 

Das Universum erschien nun erstmals nicht mehr statisch und zeitlos, sondern es war dynamisch, es hatte eine Geschichte und veränderte sich dabei. Rechnete man die Expansion des Universums rückwärts in die Vergangenheit, so schrumpfte es immer mehr zusammen bis irgendwann einmal Raum und Materie in einem Punkt vereint waren. Das Universum musste also einen Anfang haben. Diese Überlegungen führten dann direkt zur  Theorie vom Urknall.

In den darauf folgenden Jahren versuchte Hubble herauszufinden, ob das Weltall offen war, sich also immer weiter ausdehnte, oder ob die Expansion irgendwann zum Stillstand kam, um sich dann umzukehren, das Weltall also geschlossen war. Die entscheidende Frage war: Gab es genug Materie und Energie, so daß die Gesamtschwerkraft ausreichte, um das Universum zu einer geschlossenen Raum-Zeit-Blase zu krümmen oder nicht?

Um das heraus zu bekommen versuchte Hubble zunächst die Anzahl der Galaxien als Funktion ihrer Entfernung  zu bestimmen. Dabei ging er davon aus, daß im Durchschnitt die scheinbare Helligkeit der Galaxien mit ihrer Entfernung abnahm. Die über- oder unterdurchschnittlich hellen Galaxien würden sich bei einer ausreichend großen Anzahl herausmitteln.

Nahm die Anzahl der Galaxien überproportional mit ihrer Entfernung zu, so war das ein Hinweis auf ein positiv gekrümmtes, also geschlossenes Weltall. War die Zunahme dagegen unterproportional, so wies das auf ein negativ gekrümmtes, offenes Weltall hin. Eine proportional mit der Entfernung zunehmende Galaxienzahl deutete auf ein flaches Weltall, das lediglich in der Nähe größerer Massen lokal begrenzt gekrümmt ist.

Zum besseren Verständnis eine 2-dimensionale Analogie: Eine Kugeloberfläche ist positiv gekrümmt, ein Pferdesattel (Hyperboloid) dagegen negativ. Eine Steinplatte ist flach, hat also die Krümmung Null. Hier gelten im gegensatz zu den beiden anderen Fällen die Gesetze der euklidische Geometrie (z.B. Winkelsumme im Dreieck =180°).

Das Problem war auch hier die Entfernungsbestimmung der Galaxien, die mit großen Unsicherheiten behaftet war. Hubble meinte aber deutliche Hinweise auf ein geschlossenes Universum gefunden zu haben.

1948 George Gamov und der Urknall

Der russisch-US-amerikanische Astrophysiker George Gamov (1904-1968) veröffentlichte im Jahre 1948 eine Arbeit über den physikalischen Zustand des Universums in seinen frühesten Anfängen. Gamov rechnete das expandierende Universum rückwärts und ließ die Materie dabei immer dichter und heißer werden. Schließlich zerfielen die Atome wegen der ungeheuren Energiedichte in ihre Bestandteile und bildeten ein Plasma aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Dann ließ er die Zeit wieder vorwärts laufen. Wenn sich das winzige, extrem dichte und heiße Universum ausdehnte und dabei etwas abkühlte zerfielen die durch Kernverschmelzung gebildeten Wasserstoff- und Heliumkerne nicht mehr. Bei weiterer Abkühlung wurden auch die Elektronen eingefangen und es bildeten sich Wasserstoff- und Heliumatome im Verhältnis 10:1, genauso wie man sie auch im wirklichen Universum vorfand. Das Universum war lichtdurchlässig geworden, da das Licht nicht mehr durch freie Elektronen gestreut wurde. Insbesondere das genau richtige Verhältnis zwischen Wasserstoff und Helium, die gemeinsam 99,9% der Materie im Universum ausmachten, sprach für das heiße Urknallmodell von George Gamov.

George Gamow (1904-1968) und sein Urknallmodell. Quellen: http://www.nndb.com/ und http://physics.uoregon.edu/

Allerdings fehlten noch 0,1%, die schweren Elemente, von den Astronomen auch Metalle genannt. Diese konnten nicht mehr entstehen, weil das Universum in Gamovs Modell so schnell expandierte und abkühlte, daß es für die dazu notwendigen Kernverschmelzungsreaktionen nicht mehr reichte. Ohne schwere Elemente gab es aber keine Planeten und erst Recht kein Leben im Universum. Es blieb nur die Möglichkeit, daß sich die schweren Elemente später bilden, vielleicht in den Sternen?

1953 Sandage und Schwarzschild lösen das Rätsel der Sternentwicklung

In den früher 1950er Jahren untersuchte der junge amerikanische Astronom Allan Rex Sandage am Mt. Palomar Observatorium im Rahmen seiner Doktorarbeit den Kugelsternhaufen M3. Er arbeitete für ein Projekt von Martin Schwarzschild, einem Experten für den Aufbau und die Entwicklung von Sternen. Ziel des Projekts war die Altersbestimmung von Kugelsternhaufen. Dafür musste man verstehen wie Kugelsternhaufen sich im Laufe der Zeit entwickeln.

Kugelsternhaufen sind mehr oder weniger kugelförmige Ansammlungen von Sternen, die durch gegenseitige Massenanziehung (Gravitation) eng aneinander gebundenen sind. Die Anzahl ihrer Sterne reicht von rund 100.000 bis zu einigen Millionen. Die Kugelsternhaufen umkreisen auf konzentrischen Bahnen – ohne bevorzugte Orientierung im Raum – das Zentrum unserer Milchstraße und auch der meisten anderen Galaxien.  

Kugelsternhaufen zählte man schon damals mit zu den ältesten Objekten im Weltall. Gelang es ihr Alter herauszufinden, so kannte man auch das Mindestalter des gesamten Weltalls. 

Die ganz überwiegende Anzahl aller Sterne in Kugelsternhaufen gehören zu den relativ kleinen und kühlen, daher nur rotglühenden Sternen der  Population-II. Innerhalb der Kugelsternhaufen findet man kaum Gas- und Staubwolken, so daß sich hier keine neuen Sterne bilden können. Offenbar wurden Gas und Staub schon vor langer Zeit bei Sternengeburten nahezu vollständig verbraucht.

In den Armen der Spiralgalaxien findet man dagegen viele heiße und blauleuchtende Sterne der Population I, eingebettet in Gas- und Staubwolken. Ständig werden neue Sterne gebildet, so daß sich die Sternpopulation der Spiralgalaxien laufend erneuert. 

Allan Sandage (geboren 1926) Quelle: http://www.phys-astro.sonoma.edu/BruceMedalists/

Sandage erstellte für seine Doktorarbeit ein Hertzsprung-Russel-Diagramm (HRD) einer großen Anzahl von Sternen des Kugelsternhaufens M3. Dabei kam ein Diagramm heraus, wie er es noch nie zuvor gesehen hatte. Die Hauptreihe des HRD brach mittendrin ab und endete schon oberhalb der gelben Zwergsterne. Dann folgte ein Knick nach rechts oben, hin zu einem Ast roter Riesensterne. Sandage fand keine Erklärung für dieses seltsame Diagramm. Er hatte gelernt, daß alte Sterne rötlich erscheinen, da sie auf der Hauptreihe von links oben nach rechts unten gewandert waren. Mit einem Knick in der Hauptreihe konnte er so nichts anfangen.aly:

Ein Knick in der Hauptreihe des Kugelsternhaufens M3. Quellen: A Study of Globular Cluster M3, Allan Sandage 1953 (links), http://www.astro.caltech.edu/palomar/ (rechts)

Doch Schwarzschild hatte schon seinerzeit ganz andere Ideen über die Sternentwicklung. Für ihn stand fest, daß es die eigene Schwerkraft (Eigengravitation) eines Sternes war, die letztendlich alle Kernfusionsprozesse in seinem Inneren anfachte, denn nur sie sorgte dort für den notwendigen hohen Druck und damit auch für ausreichende Temperaturen. Wenn das so war, dann musste es logischerweise auch einen direkten Zusammenhang zwischen der Masse eines Sternes und seiner Kernfusionsrate geben. Ein massereicher Stern lebte intensiver, aber kürzer als ein massearmer Stern, denn infolge seiner höheren Kernfusionsrate  verbrauchte er seinen Kernbrennstoff  wesentlich schneller.

Als Schwarzschild nun das rätselhafte Hertzsprung-Russel-Diagramm von M3 zu sehen bekam, passte für ihn alles perfekt zusammen.

Die Hauptreihe spiegelte nicht die unterschiedlichen Stadien der Sternentwicklung wider, sondern die unterschiedlichen Ausgangsmassen der Sterne.

Massereiche Sterne erschienen hell und blauweiß (oben links auf der Hauptreihe), massearme Sterne dagegen leuchteten nur schwach und erschienen rötlich (unten rechts auf der Hauptreihe). Mit zunehmendem Alter einer Sternpopulation verließen immer mehr Sterne die Hauptreihe des Hertzsprung-Russel-Diagramms, je nach dem wie schnell ihr Kernbrennstoff zur Neige ging. Es begann mit den massereichen blauweißen Sternen der Spektralklassen O und B, es folgten die Spektralklassen A,F und G (hellgelbe und gelbe Zwergsterne), dann die Spektralklasse K (orangene Zwergsterne) und ganz zum Schluß die massearmen roten Zwergsterne der Spektralklasse M.

Im Kugelsternhaufen waren alle Sterne in etwa zur selben Zeit entstanden und brannten dann nach und nach aus. Neue Sterne konnten ja nicht mehr entstehen, weil es an den dafür notwendigen Mengen an Gas und Staub fehlte. Der Grund für den Abruch der Hauptreihe war somit ganz einfach: Da Kugelsternhaufen schon sehr alt waren, waren die massereicheren Sterne längst ausgebrannt und hatten die Hauptreihe verlassen. Sie bildeten den Ast der roten Riesen oberhalb der Abknickstelle. Die auf der Hauptreihe noch verbliebenen Sterne waren umso masseärmer sein, je älter der Kugelsternhaufen bereits war. Wenn es gelang, den genauen zeitlichen Entwicklungsgang der Sterne in Abhängigkeit von ihrer Masse zu berechnen, so war es möglich das Alter eines Kugelsternhaufens aufgrund ihres Hertzsprung-Russel-Diagramms zu bestimmen. Daraus ließ sich die Masse der Sterne ablesen, welche direkt unterhalb der Abknickstelle der Hauptreihe lagen. Deren Alter entsprach dann auch das Alter des Kugelsternhaufens.

Schwarzschild und Sandage versuchten nun die Sternentwicklung in Abhängigkeit von der Masse bis zum Stadium des roten Riesen zu berechnen. Mit den vergleichsweise langsamen Computern der damaligen Zeit war das eine sehr zeitraubende Angelegenheit.

Der Stern wurde bei den Berechnungen als eine Anordnung von übereinanderliegenden dünnen Kugelschalen betrachtet. Mit dem Radius als Variable beschrieben mehrere Differentialgleichungen den Stern: Zwei Gleichungen für die Schichtung des Druckes infolge der Eigengravitation und die Verteilung der Masse, eine weitere Gleichung für die Energiebilanz und damit auch die Leuchtkraft und dann noch eine Gleichung für die Temperaturschichtung. Hinzu kamen noch Gleichungen, welche die Wechselwirkungen darstellten. So sind beispielsweise Druck, Dichte und Temperatur eng miteinander gekoppelt; die Energieerzeugung hängt von der Temperatur und Dichte ab, und ob die Energie durch Strahlung oder Konvektion transportiert wird, ist eine Frage der Opazität (Strahlungsduchlässigkeit) in der jeweiligen Materieschicht.

Damit hatte man aber erst den Zustand des Sternes zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt ausgerechnet. Um aber die Sternentwicklung zu verstehen, musste man diese Zustandrechnung für beliebig viele ananandergereihte Zeitpunkte wiederholen. Die Ergebnisse einer einzelnen Berechnung gingen dabei in die jeweils nachfolgende Berechnung mit ein.

Martin Schwarzschild (1912-1997) Quelle: http://www.phys-astro.sonoma.edu/BruceMedalists/

Nach dem Modell von Schwarzkopf und Sandage finden die Kernfusionsreaktionen (Wasserstoffbrennen) in einem Stern nur innerhalb des Kernbereichs statt, weil nur hier Druck und Temperatur ausreichend hoch sind. Sterne sind nicht voll konvektiv, wie bis dahin angenommen, sondern untergliedern sich in Kern und Hülle zwischen denen kaum Materie ausgetauscht wird. Der Energietransport nach außen geschieht deshalb nicht durch Konvektion sondern durch Strahlung. Der Strahlungsdruck sorgt gleichzeitig für ein inneres Gleichgewicht im Stern, da er der Eigengravitation des Sternes entgegenwirkt, welche ansonsten den Stern in sich zusammenstürzen lassen würde. Erst knapp unterhalb der Sternoberfläche funktioniert der weitere Energietransport dann über eine konvektive Schicht. 

Infolge des (fast) fehlenden Stoffaustausches zwischen Kern und Hülle bei einem  nichtkonvektiven Stern wird kein neuer Kernbrennstoff aus darüberliegenden Schichten nachgeliefert, wenn im Kern der Wasserstoff verbrannt wird. Ist der Kernbrennstoff  schließlich aufgebraucht, so erlischt das Wasserstoffbrennen im Kern und der Strahlungsdruck lässt sofort nach. Unter dem ungeheuren Druck der nun überwiegenden Eigengravitation verdichtet sich das Innere des Sternes und wird dabei immer heißer. Bei dem Schrumpfungsprozeß des Kerns werden enorme Mengen an (potentieller) Gravitationsenergie in Form von intensiver Strahlung  freigesetzt. Hinzu kommt häufig noch die Strahlung durch das Schalenbrennen des Wasserstoffs. Dazu kommt es, wenn in der Kugelschale direkt oberhalb des erloschenen Kernes, wo ja noch reichlich Wasserstoff vorhanden ist, Dichte und Temperatur soweit ansteigen, daß das Wasserstoffbrennen (also die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium) zünden kann.

Unter der Einwirkung starken Strahlung aus dem Inneren des Sterns  bläht sich die Sternhülle gewaltig auf. Dabei verteilt sich die Strahlungsenergie auf eine überproportional anwachsende Oberfläche. So wird pro Fläche weniger Energie abgestrahlt, die Oberfläche des Sterns kühlt ab, und der Stern erscheint nunmehr rot. Als roter Riese verläßt er die Hauptreihe des Hertzsprung-Russel-Diagramms. Aufgrund des enormen Strahlungsdrucks und der deutlich verringerten  Oberflächengravitation verliert der Stern erhebliche Mengen an gasförmiger Materie. Diese wird durch die vom Stern ausgehende Strahlung ionisiert und erscheint dann als ein in vielen Farben prächtig leuchtender „planetarischer“ Nebel. Der Stern selbst schrumpft nach dem Aufbrauchen aller nuklearen Brennstoffreserven unter der Wirkung seiner Eigengravitation auf einen Durchmesser von nur einigen Tausend Kilometern zusammen. Dabei steigen die Oberflächentemperaturen zunächst stark an und der Stern erscheint weiß. Dieser weiße Zwergstern kühlt dann langsam aus.

Schwarzschild und Sandage ermittelten für unterschiedliche Ausgangsmassen jeweils den Zeitpunkt, wo der Stern die Hauptreihe verlässt und zu einem roten Riesen wird. Damit konnten sie nun das ungefähre Alter von Kugelsternhaufen ermitteln und damit auch auf das Mindestalter des Universums schließen. Schwarzschild und Sandage kamen auf einen Wert von mindestens 3,2 Milliarden Jahren.

Sandage verfolgte aber noch eine weitere Strategie, um das Alter des Universums zu ermitteln. Ausgehend von der Rotverschiebung der meisten Galaxien konnte man auf die Geschwindigkeit schliessen, mit der sie sich voneinander entfernten. Das war ja eine der entscheidenden Entdeckungen Hubbles gewesen (s.o.). Rechnete man mit einer ausreichenden Anzahl von Galaxienrotverschiebungen zurück zu dem theoretischen Zeitpunkt, an dem sie noch alle in einem Punkt vereint waren, also zurück zu dem Zeitpunkt, wo die Expansion des Universums einsetzte, so kam man auf ein ungefähres Alter von 4 Milliarden Jahren. Problematisch war auch hier natürlich die Entfernungsbestimmung der Galaxien unabhängig von der Rotverschiebung, welche für die Kalibrierung der Entfernungsskala unabdingbar war. Bei großen Entfernungen gab es dabei große Unsicherheiten. Schon Hubble hatte sich damit herumgeschlagen.  

Mit zwei vollkommen unterschiedlichen Methoden hatte war es aber trotzdem erstmals gelungen, einen konkreten Hinweis auf das tatsächliche Alter des Universums zu finden. Die dabei gefundenen Ergebnisse lagen mit >3,2 bzw. 4 Milliarden Jahren  größenordnungsmäßig  überraschend eng beieinander. Damit war nicht unbedingt zu rechnen gewesen. Das Universum war zwar sehr alt, aber eben nicht unendlich alt. Bei aller gegebenen Vorsicht konnte man das als Durchbruch in der Kosmologie ansehen. Im Jahre 1954 wurde in der Presse ausführlich über die Arbeiten von Schwarzschild und Sandage berichtet.

Inzwischen geht man aufgrund einer mehrfach erfolgten Neukalibrierung der Entfernungsskala mit immer weiter verbesserten Methoden von einem  12-15 Milliarden Jahre alten Universum aus.

1957 Sternentwicklung und die Entstehung der Elemente

Die Astronomen Fred Hoyle (1915-2001), Margaret (geb. 1919) und Geoffrey Burbidge (1925-2010) und William Alfred Fowler führten die theoretischen Berechnungen von Schwarzschild und Sandage über die Sternentwicklung weiter. Ihr gut funktionierendes Sternenmodell, das die 4 Wissenschaftler im Jahre 1957 veröffentlichten, umfasste nicht nur alle im Hertzsprung-Russel-Diagramm vorkommenden Sterntypen, sondern erklärte auch erstmals widerspruchsfrei die Herkunft der schweren Elemente im Universum.

Wenn der Wasserstoff im Kern verbraucht ist, verlassen die Sterne wie oben beschrieben die Hauptreihe des Hertzsprung-Russel-Diagramms und blähen sich zu roten Riesen auf. Ursächlich ist die beim Schrumpfen des Kerns freigesetzte Gravitationsenergie und das Schalenwasserstoffbrennen.

Sterne mit weniger als 0,5 Sonnenmassen enden nach dem Ende des Schalenbrennens unter dem Einfluss ihrer Eigengravitation als ausgebrannte, hochkomprimierte weiße Zwerge, die nach und nach auskühlen.

In einem roten Riesen von mehr als 0,5 Sonnenmassen wird der Kern derart verdichtet, daß die Temperaturen für das Zünden des Heliumbrennens ausreichen. Bei dieser Kernfusionsreaktion verschmelzen Heliumkerne zu Kohlenstoff- und Sauerstoffkernen. In der Schale direkt über dem Kern wird es so heiß, daß es zum Wasserstoffschalenbrennen kommt (s.o.). Die Oberflächentemperatur steigt an, und der Stern gewinnt wieder ein inneres Gleichgewicht zwischen Eigengravitation und Strahlungsdruck. Wenn das Helium im Kern aufgebraucht ist, schrumpft der Kern wieder. In der Schale direkt oberhalb des Kerns zündet nach dem Wasserstoff- das Heliumbrennen, in einer weiteren Schale direkt darüber startet das Wasserstoffbrennen. Die überaus starke Energieabstrahlung bläht den Stern wieder zu einem roten Riesen auf. Wiederum verliert der Stern dabei viel Materie.

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

Ist der Stern noch massereicher (mehr als 2,3 Sonnenmassen), so laufen in seinem Kern die Kernfusionsreaktionen bis zum Eisen hin weiter. Mehr geht aber nicht, weil die Fusion zu noch schwereren Elementen keine Energie mehr liefert, sondern verbraucht. Auch außerhalb des Kerns finden wieder in Abhängigkeit von Dichte und Temperatur Kernfusionsreaktionen statt. Der Stern weist dabei eine Art Zwiebelschalenstruktur auf: Im Kern  die Kernfusion bis zum Eisen, darüber die Heliumfusion zu Kohlen- und Sauerstoff und noch weiter außen die Wasserstofffusion zum Helium. Nachdem der Stern total ausgebrannt ist, stürzt er unter seiner Eigengravitation in sich zusammen und setzt eine bisher nicht gekannte Menge an Gravitationsenergie frei. 

In einer spektakulären Supernovaexplosion stößt der Stern auf einen Schlag seine gesamte äußere Hülle ab. In Abhängigkeit von der Ausgangsmasse vor der Explosion 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, wenn noch mehr als 3 Sonnenmassen übrig bleiben, sogar als Schwarzes Loch, das unter der Wirkung seiner enormen Eigengravitation eine von unserem Universum losgelöste Raum-Zeit-Blase (Singularität) ausbildet. Vielleicht die Geburt eines neuen Universums?

Die bei einer Supernovaexplosion freigesetzte Energie ist so gewaltig, daß auch Kernverschmelzungsreaktionen zu noch schwereren Elementen als Eisen stattfinden können.

Die Supernovaexplosionen aufeinanderfolgender Sternengenerationen reichern die interstellare Materie aus der sich immer wieder neue Sterne bilden können, nach und nach mit schweren Elementen an. 

Die alten Sterne der Population II, vor allem in Kugelsternhaufen, elliptischen Galaxien oder den Zentren der Spiralgalaxien, enthalten nur geringe Konzentrationen an schweren Elementen (geringe „Metallizität“). Bei den jüngeren Sternen der Population I, die hauptsächlich in den Scheiben der Spiralgalaxien vorkommen, sieht das aber schon ganz anders aus. Sie enthalten große Mengen an schweren Elementen, eine gute Voraussetzung für die Bildung von Planetensystemen, darunter sicher auch einige mit erdähnlichen, belebten Planeten.

Jens Christian Heuer

Quellen: Das Echo des Urknalls: Kernfragen der modernen Kosmologie (engl.: Lonely Hearts of the Cosmos: The Story of the Scientific Quest for the Secret of the Universe), Dennis Overbye;  A study of the globular cluster M3, Allan Sandage (1953); The first 50 years at Palomar: 1949-1999 The Early Years of Stellar Evolution, Cosmology, and High-Energy Astrophysics, Allan Sandage; Wikipedia