Inhalt
- Die Bildung eines Protostars
- Der thermonukleare Funken des Lebens
- Kleiner Stern-Lebenszyklus: Hauptsequenz
- Nachfolge - Die goldenen Jahre
- Sonnengroße Sterne dehnen sich aus, um planetarische Nebel zu werden
- Was übrig bleibt, ist ein weißer Zwerg
- Masse beeinflusst den Lebenszyklus
Sterne werden wirklich aus Sternenstaub geboren, und weil Sterne die Fabriken sind, die alle schweren Elemente produzieren, kommt unsere Welt und alles, was darin enthalten ist, ebenfalls aus Sternenstaub.
Wolken davon, die hauptsächlich aus Wasserstoffgasmolekülen bestehen, schweben in der unvorstellbaren Kälte des Weltraums herum, bis die Schwerkraft sie zwingt, in sich zusammenzufallen und Sterne zu bilden.
Alle Sterne sind gleich, aber wie Menschen kommen sie in vielen Variationen vor. Die primäre Determinante der Eigenschaften eines Sterns ist die Menge an Sternenstaub, die an seiner Bildung beteiligt ist.
Einige Sterne sind sehr groß und haben ein kurzes, spektakuläres Leben, während andere so klein sind, dass sie kaum genug Masse hatten, um überhaupt ein Stern zu werden, und diese haben ein extrem langes Leben. Der Lebenszyklus eines Sterns ist, wie die NASA und andere Weltraumbehörden erklären, stark von der Masse abhängig.
Sterne, die ungefähr so groß wie unsere Sonne sind, werden als kleine Sterne betrachtet, aber sie sind nicht so klein wie rote Zwerge, die eine Masse haben, die etwa halb so groß ist wie die der Sonne und so nah dran sind, ewig zu sein, wie ein Stern es nur kann.
Der Lebenszyklus eines massearmen Sterns wie der Sonne, der als Hauptreihenstern (oder gelber Zwerg) vom Typ G klassifiziert wird, dauert etwa 10 Milliarden Jahre. Obwohl Sterne dieser Größe keine Supernova werden, beenden sie ihr Leben auf dramatische Weise.
Die Bildung eines Protostars
Die Schwerkraft, diese mysteriöse Kraft, die unsere Füße am Boden festhält und die Planeten in ihren Umlaufbahnen drehen, ist für die Sternentstehung verantwortlich. In den Wolken aus interstellarem Gas und Staub, die um das Universum schweben, verschmilzt die Schwerkraft Moleküle zu kleinen Klumpen, die sich von ihren Elternwolken lösen und zu Protosternen werden. Manchmal wird der Zusammenbruch durch ein kosmisches Ereignis wie eine Supernova ausgelöst.
Durch ihre erhöhte Masse können Protosterne mehr Sternenstaub anziehen. Die Erhaltung des Impulses bewirkt, dass der kollabierende Stoff eine rotierende Scheibe bildet, und die Temperatur steigt aufgrund des zunehmenden Drucks und der kinetischen Energie, die von Gasmolekülen freigesetzt wird, die an das Zentrum angezogen werden.
Es wird angenommen, dass unter anderem im Orionnebel mehrere Protosterne existieren. Sehr junge sind zu diffus, um sichtbar zu sein, aber sie werden schließlich undurchsichtig, wenn sie zusammenwachsen. In diesem Fall fängt die Anreicherung von Materie Infrarotstrahlung im Kern ein, wodurch die Temperatur und der Druck weiter erhöht werden und schließlich verhindert wird, dass mehr Materie in den Kern fällt.
Die Hülle des Sterns zieht jedoch weiterhin Materie an und wächst, bis etwas Unglaubliches eintritt.
Der thermonukleare Funken des Lebens
Es ist schwer zu glauben, dass die Schwerkraft, die eine vergleichsweise schwache Kraft ist, eine Kette von Ereignissen auslösen könnte, die zu einer thermonuklearen Reaktion führt, aber genau das passiert. Während der Protostern weiterhin Materie ansammelt, wird der Druck im Kern so hoch, dass Wasserstoff zu Helium verschmilzt und der Protostern zum Stern wird.
Das Aufkommen der thermonuklearen Aktivität erzeugt einen intensiven Wind, der vom Stern entlang der Rotationsachse pulsiert. Um den Umfang des Sterns zirkulierendes Material wird von diesem Wind ausgeworfen. Dies ist die T-Tauri-Phase der Sternentstehung, die durch starke Oberflächenaktivität, einschließlich Fackeln und Eruptionen, gekennzeichnet ist. In dieser Phase, die für einen Stern von der Größe der Sonne einige Millionen Jahre dauert, kann der Stern bis zu 50 Prozent seiner Masse verlieren.
Schließlich beginnt sich das Material um den Umfang des Sterns zu zerstreuen und das, was übrig bleibt, verschmilzt zu Planeten. Der Sonnenwind lässt nach und der Stern befindet sich in der Hauptsequenz in einer Periode der Stabilität. Während dieser Zeit gleicht die nach außen gerichtete Kraft, die durch die im Kern auftretende Fusionsreaktion von Wasserstoff zu Helium erzeugt wird, die nach innen gerichtete Schwerkraft aus, und der Stern verliert oder gewinnt keine Materie.
Kleiner Stern-Lebenszyklus: Hauptsequenz
Die meisten Sterne am Nachthimmel sind Hauptreihensterne, da diese Periode bei weitem die längste im Leben eines Sterns ist. Während der Hauptsequenz schmilzt ein Stern Wasserstoff zu Helium und dies so lange, bis sein Wasserstoffbrennstoff aufgebraucht ist.
Die Fusionsreaktion verläuft bei massereichen Sternen schneller als bei kleineren. Massereiche Sterne brennen heißer, mit weißem oder blauem Licht, und sie brennen kürzer. Während ein sonnengroßer Stern 10 Milliarden Jahre halten wird, könnte ein supermassiver blauer Riese nur 20 Millionen Jahre halten.
Im Allgemeinen treten in Hauptreihensternen zwei Arten von thermonuklearen Reaktionen auf, aber in kleineren Sternen wie der Sonne tritt nur eine Art auf: die Proton-Proton-Kette.
Protonen sind Wasserstoffkerne, und in einem Sternenkern bewegen sie sich schnell genug, um die elektrostatische Abstoßung zu überwinden und unter Freisetzung von a zu Helium-2-Kernen zusammenzustoßen v-Neutrino und ein Positron im Prozess. Wenn ein anderes Proton mit einem neu gebildeten Helium-2 kollidiert Im Kern fusionieren sie zu Helium-3 und setzen ein Gammaphoton frei. Schließlich kollidieren zwei Helium-3-Kerne zu einem Helium-4-Kern und zwei weiteren Protonen, die die Kettenreaktion fortsetzen. Insgesamt verbraucht die Proton-Proton-Reaktion also vier Protonen.
Eine Unterkette, die in der Hauptreaktion auftritt, produziert Beryllium-7 und Lithium-7, aber dies sind Übergangselemente, die sich nach Kollision mit einem Positron zu zwei Helium-4-Kernen verbinden. Eine andere Unterkette produziert Beryllium-8, das instabil ist und sich spontan in zwei Helium-4-Kerne aufspaltet. Diese Teilprozesse machen rund 15 Prozent der gesamten Energieerzeugung aus.
Nachfolge - Die goldenen Jahre
Die goldenen Jahre im Lebenszyklus eines Menschen sind diejenigen, in denen die Energie zu schwinden beginnt, und dasselbe gilt für einen Stern. Die goldenen Jahre für einen massearmen Stern liegen vor, wenn der Stern den gesamten Wasserstoffbrennstoff in seinem Kern verbraucht hat. Diese Periode wird auch als Post-Main-Sequenz bezeichnet. Die Fusionsreaktion im Kern hört auf und die äußere Heliumschale kollabiert. Dabei entsteht Wärmeenergie, da die potentielle Energie in der kollabierenden Schale in kinetische Energie umgewandelt wird.
Die zusätzliche Wärme bewirkt, dass Wasserstoff in der Hülle wieder zu schmelzen beginnt. Diesmal erzeugt die Reaktion jedoch mehr Wärme als zu dem Zeitpunkt, als sie nur im Kern auftrat.
Die Verschmelzung der Wasserstoffschalenschicht drückt die Ränder des Sterns nach außen, und die äußere Atmosphäre dehnt sich aus und kühlt sich ab, wodurch der Stern in einen roten Riesen verwandelt wird. Wenn dies der Sonne in ungefähr 5 Milliarden Jahren passiert, wird sich die halbe Entfernung zur Erde ausdehnen.
Die Expansion geht mit erhöhten Temperaturen im Kern einher, da mehr Helium durch die in der Hülle ablaufenden Wasserstoff-Fusionsreaktionen eingelagert wird. Es wird so heiß, dass die Heliumfusion im Kern beginnt und Beryllium, Kohlenstoff und Sauerstoff erzeugt. Sobald diese Reaktion (der sogenannte Heliumblitz) einsetzt, breitet sie sich schnell aus.
Nachdem das Helium in der Hülle erschöpft ist, kann der Kern eines kleinen Sterns nicht genug Wärme erzeugen, um die schwereren Elemente, die erzeugt wurden, zu verschmelzen, und die Hülle, die den Kern umgibt, kollabiert wieder. Dieser Zusammenbruch erzeugt eine beträchtliche Menge Wärme - genug, um eine Heliumfusion in der Hülle zu beginnen - und die neue Reaktion beginnt eine neue Expansionsperiode, in der der Radius des Sterns um das 100-fache seines ursprünglichen Radius zunimmt.
Wenn unsere Sonne dieses Stadium erreicht, wird sie sich über die Umlaufbahn des Mars hinaus ausdehnen.
Sonnengroße Sterne dehnen sich aus, um planetarische Nebel zu werden
Jede Geschichte über den Lebenszyklus eines Sterns für Kinder sollte eine Erklärung der planetarischen Nebel enthalten, da sie zu den auffälligsten Phänomenen im Universum gehören. Der Begriff planetarischer Nebel ist eine Fehlbezeichnung, da er nichts mit Planeten zu tun hat.
Es ist das Phänomen, das für die dramatischen Bilder des Auges Gottes (des Helix-Nebels) und anderer solcher Bilder verantwortlich ist, die das Internet bevölkern. Ein planetarischer Nebel ist weit davon entfernt, planetarischer Natur zu sein, sondern die Signatur eines kleinen Sternensterbens.
Während sich der Stern in seine zweite rote Riesenphase ausdehnt, kollabiert der Kern gleichzeitig zu einem überhitzten weißen Zwerg, einem dichten Überrest, der den größten Teil der Masse des ursprünglichen Sterns in eine erdgroße Kugel gepackt hat. Der Weiße Zwerg sendet ultraviolette Strahlung aus, die das Gas in der expandierenden Hülle ionisiert und so dramatische Farben und Formen erzeugt.
Was übrig bleibt, ist ein weißer Zwerg
Planetarische Nebel halten nicht lange an und lösen sich in etwa 20.000 Jahren auf. Der weiße Zwergstern, der nach der Auflösung eines Planetennebels übrig bleibt, ist jedoch sehr langlebig. Es ist im Grunde ein Klumpen von Kohlenstoff und Sauerstoff, gemischt mit Elektronen, die so dicht gepackt sind, dass man sagt, sie seien entartet. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik können sie nicht weiter komprimiert werden. Der Stern ist millionenfach dichter als Wasser.
In einem Weißen Zwerg treten keine Fusionsreaktionen auf, aber er bleibt aufgrund seiner kleinen Oberfläche, die die Menge der von ihm ausgestrahlten Energie begrenzt, heiß. Es wird sich irgendwann abkühlen und ein schwarzer, inerter Klumpen aus Kohlenstoff und entarteten Elektronen werden, aber dies wird 10 bis 100 Milliarden Jahre dauern. Das Universum ist noch nicht alt genug, um dies zu bewerkstelligen.
Masse beeinflusst den Lebenszyklus
Ein Stern von der Größe der Sonne wird zu einem weißen Zwerg, wenn er seinen Wasserstoff verbraucht, aber einer mit einer Masse im Kern von 1,4-mal der Größe der Sonne erlebt ein anderes Schicksal.
Sterne mit dieser Masse, die als Chandrasekhar-Grenze bekannt ist, brechen weiter zusammen, weil die Gravitationskraft ausreicht, um den äußeren Widerstand der Elektronendegeneration zu überwinden. Anstatt weiße Zwerge zu werden, werden sie zu Neutronensternen.
Da die Chandrasekhar-Massengrenze für den Kern gilt, nachdem der Stern einen Großteil seiner Masse abgestrahlt hat, und da die verlorene Masse beträchtlich ist, muss der Stern etwa die achtfache Masse der Sonne haben, bevor er in die rote Riesenphase eintritt, um a zu werden Neutronenstern.
Rote Zwergsterne sind solche mit einer Masse zwischen der Hälfte und Dreiviertel einer Sonnenmasse. Sie sind die coolsten aller Sterne und reichern nicht so viel Helium in ihren Kernen an. Folglich expandieren sie nicht zu roten Riesen, wenn sie ihren Kernbrennstoff verbraucht haben. Stattdessen ziehen sie sich direkt in weiße Zwerge zusammen, ohne dass ein planetarischer Nebel entsteht. Da diese Sterne jedoch so langsam brennen, wird es eine lange Zeit - vielleicht bis zu 100 Milliarden Jahre - dauern, bis einer von ihnen diesen Prozess durchläuft.
Sterne mit einer Masse von weniger als 0,5 Sonnenmassen werden als Braune Zwerge bezeichnet. Sie sind überhaupt keine wirklichen Sterne, denn als sie sich bildeten, hatten sie nicht genug Masse, um die Wasserstofffusion zu initiieren. Die Druckkräfte der Schwerkraft erzeugen zwar genug Energie, damit solche Sterne strahlen können, aber mit einem kaum wahrnehmbaren Licht am äußersten roten Ende des Spektrums.
Weil es keinen Kraftstoffverbrauch gibt, gibt es nichts, was einen solchen Stern davon abhält, genau so zu bleiben, wie er ist, solange das Universum besteht. Es könnte einen oder mehrere von ihnen in der unmittelbaren Nachbarschaft des Sonnensystems geben, und weil sie so dunkel leuchten, wussten wir nie, dass sie dort waren.