Himmelsgesetze der Bewegung/ Das Leben eines Sterns

Qualitative Beschreibung des Lebens eines Sterns

Allgemein dient die Physik NICHT einer endgültigen Erklärung der Welt. Wie jede Wissenschaft beschreibt die Physik die Phänomene ihres Bereichs und versucht Gesetzmäßigkeiten zu entdecken. In der Physik ist es auch so, dass oft die Gesetze in der mathematischen Sprache ausgedrückt werden.

In diesem Sinn hat man letztendlich absolut keine Ahnung, wie das Universum angefangen hat oder ob es überhaupt einen Anfang gab. Durch Beobachtungen der wahrnehmbaren Welt kommt man zur Folgerungen über die mögliche Geschichte des Universums. Teil dieser Geschichte ist die Theorie über das Leben eines Sterns.

Laut dieser Theorie gibt es am Anfang Wolken überwiegend aus Wasserstoff (alle seine drei Isotopen, fast ausschließlich aber $_{1}^{1}$H). Im Wasserstoffatom gibt es ein Proton und ein Elektron, also ist die Gesamtladung null. Daher gibt es kaum elektrische Kräfte zwischen Wasserstoffatome (zumindest nicht, wenn sie weit auseinander sind) und fast keine Kräfte zwischen Wasserstoffmoleküle. Die einzige Kraft daher, die in diesen Gaswolken wirkt, ist die Gravitationskraft und sie ist ausschließlich eine Anziehungskraft. Die Wasserstoffmoleküle kommen also immer näher und fangen an kleinere Kugeln zu formen. Da es keine Gegenkraft gibt, werden diese Kugeln immer dichter. Die Temperatur wird daher immer größer. Irgendwann ist sie so hoch, dass die Kernfusion (also Atomfusion) im Kern des Sterns anfängt (mit Kern des Sterns ist die Mitte des Sterns gemeint; dieser Kern hat als Begriff nichts mit Kernfusion zu tun, außer dass im Kern des Sterns auch Kernfusion stattfindet).

Die Kernfusion im Kern des Sterns wirkt wie eine kontrollierte Explosion, die gegen die Gravitationskraft wirkt. Die Gravitation ist eine Anziehungskraft und wirkt nach innen, die Kernfusion ist wie eine Explosion und wirkt nach draußen. Diese beiden Vorgänge kommen zu einem Gleichgewicht, das Millionen oder Milliarden Jahren andauern kann.

Die Kernfusion braucht aber auch einen Brennstoff. Am Anfang ist dieser der Wasserstoff. Irgendwann reicht er aber nicht mehr aus, um das Gleichgewicht zu bewahren. Dann fangen andere Prozesse an (die andere Brennstoffe benutzten) und das ganze endet in der Regel mit einer (überhaupt nicht kontrollierten) Explosion. Je nachdem, wie viel Masse nach der Explosion übrig bleibt, kann sich dann ein schwarzes Loch, ein weißer Zwerg oder ein Neutronenstern entstehen (alle drei sind Himmelskörper, die am Ende des Lebenskreises eines Sterns entstehen können). Was ein schwarzes Loch ist, haben wir teilweise schon erklärt. Was genau ein weißer Zwerg oder ein Neutronenstern ist und wie er entsteht, braucht aber viel mehr Kenntnisse (Universitätsniveau) und wird daher hier nicht erklärt.

Druck und Temperatur im Kern eines Sterns

(Erklärung ihrer Erhöhung durch Dichte-Erhöhung und Impulserhaltung)

Wie schon beschrieben formt sich bei der Entstehung eines Sterns eine Kugel, ein Kern, in dem die Moleküle wegen der Gravitations-Anziehungskraft immer näher zueinander kommen. Daher ist es ganz logisch zu denken, dass die Dichte im Kern des Sterns immer höher wird. Größere Dichte heißt eindeutig mehrere Moleküle für die Oberfläche der Kugel, die den Kern des Sterns darstellt. Auch wenn die Geschwindigkeit der Moleküle gleich geblieben wäre (gleichbleibende Temperatur), würde allein die Erhöhung der Dichte ausreichen, um die Erhöhung des Druckes zu erklären. Es wurde aber behauptet, dass auch die Temperatur im Kern des Sterns höher wird. Wie kommt es dazu?

Hier spielt wieder der Impulserhaltungssatz die entscheidende Rolle. Außerhalb des Sternkerns befinden sich viel mehrere Moleküle als im inneren. Es ist also wie im Ballsystem. Die Moleküle im äußeren des Sternkerns übertragen ihren Impuls zu den Molekülen im inneren. Das Phänomen ist sehr intensiv, weil die Masse außerhalb des Kerns viel viel größer ist (mehr als sechs Mal so viel, wie wir es im Ballsystem gesehen haben!). Die Geschwindigkeit der Moleküle im Sternkern wird daher vervielfacht! Laut ihre Definition ist die Temperatur die mittlere Bewegungsenergie der Moleküle, also wird auch die Temperatur im Sternkern viel höher. Das erhöht den Druck weiter, was bei der Kernfusion auch mitwirkt.

Atomfusion und Einstein

Oft hört man über Atomenergie. Wir haben auch nicht allzu selten Unfälle in Atomkraftwerken gehabt, mit verheerenden kurz-, mittel- und langfristigen Konsequenzen. Diese Art von Energieerzeugung durch Bearbeitung von Atomkernen hat mit der sogenannten Kernspaltung zu tun. Die meisten Atomwaffen haben auch mit der Kernspaltung zu tun. Mit Kern ist hier der Kern eines Atoms gemeint (und nicht der Kern eines Sterns!). Der Großteil der Masse eines Atoms befindet sich im Kern des Atoms, in der Form von Neutronen (neutral, ohne elektrische Ladung) und Protonen (positiv geladen). Rum herum kreisen die Elektronen (negativ geladen), die kaum Masse und vielleicht kein Volumen haben. Der Großteil des Raums eines Atoms ist letztendlich leer!

Warum beschuldigt man Einstein, dass er mit Atomwaffen zu tun hat, obwohl er so ein Pazifist war? Das liegt nicht daran, dass er das Manhattan-Projekt ideologisch unterstützt hat, sondern daran, dass er (vielleicht unwissend) die notwendige Theorie für die Entwicklung von solchen Waffen geliefert hat.

E = m · c²

Diese Formel ist nicht irgendeine Beziehung zwischen Masse und Energie. Diese Formel besagt, dass Masse Energie IST. Diese Aussage war in der Zeit von Einstein und immer noch heute schlicht unglaublich! Einstein hat diese Formel im Rahmen seiner spezifischen Relativitätstheorie entdeckt. Es gibt auch die allgemeinere Relativitätstheorie, die vorhersagt, dass Masse den Raum krümmt und dadurch auch das Licht beeinflusst, wie wir schon beim Thema „schwarzes Loch“ gesehen haben. Die allgemeinere Relativitätstheorie wurde später entwickelt und voraussetzt eine besondere Geometrie des Raums. Für die spezifische Relativitätstheorie hingegen hat Einstein zwei Grundsteine gestellt: Die Lichtgeschwindigkeit stellt eine Grenze dar und die Naturgesetze müssen für alle Bezugssysteme gelten. Es ist eine hervorragende Leistung, dass er dadurch zu dieser berühmten Formel gekommen ist.

Was hat diese Formel mit der Kernspaltung zu tun?

Protonen haben eine positive Ladung. Es ist also logisch zu denken, dass man Energie braucht, um sie in einem Kern zusammenzubringen. Protonen und Neutronen haben im Kern eines Atoms weniger Masse, als wenn sie frei sind. Diese fehlende Masse wird Massendefekt genannt. Die durch den Massendefekt entstandene Energie ist mehr, als die für das Zusammenbringen der Protonen in einen Kern notwendige Energie. Die Formel von Einstein gibt an, wie viel die Energie, die diesem Massendefekt entspricht, ist.

Protonen und Neutronen nennt man zusammen Nukleonen (Nukleus: der Kern). Der Massendefekt pro Nukleon ist von der Größe des Kerns abhängig. Am größten ist er beim Element Eisen (Fe). Das bedeutet aber, dass größere Kerne Energie freisetzen, wenn sie gespalten werden und kleinere, wenn sie „verschmolzen“ werden. Kernspaltung ist ein Prozess, der Energie bei der Spaltung von größeren Kernen (z.B. Uranium) liefert. Für kleinere Kerne (z.B. Wasserstoff) wird Energie bei Kernfusion geliefert. Heutzutage wird sehr viel Geld in die Kernfusion investiert. Sie gilt als sichere Form der Atomenergie (Unfälle sind praktisch unmöglich). Die Forschung ist aber noch nicht so weit, um diese Form der Energieerzeugung zu benutzen.

Kernfusion findet auch im Kern der Sterne statt. Dort ist Wasserstoff (das leichteste Element, der kleinste Kern) der Brennstoff, der -zumindest am „Anfang“- benutzt wird. Letztendlich ist aber jeder Form der Energie, die wir Benutzen (außerhalb der Energie von Atomkraftwerken), von der Energie der Kernfusion im Kern der Sterne entstanden. Erdöl ist von Wäldern entstanden, und diese haben die (Kernfusion-) Energie der Sonne gespeichert. Der Wind (Windkraftanlagen), der Zyklus des Wassers (Wasserkraftwerken) und selbstverständlich die Solarzellen, sie haben alle mit der Sonne zu tun, also letztendlich mit Kernfusion!

Die Kernkraft, die die Kerne gegen die abstoßende elektrische Kraft der positiv geladenen Protonen zusammenhält, halt einen wirklich geringen Wirkungsradius. Das heißt, dass die Kernkraft nur in der direkten Nähe der Protonen und der Neutronen wirkt. Die zu fusionierenden Kerne müssen sehr nah zueinander sein. Wenn man also einfache Kerne hat (Wasserstoffkerne, die entweder ein Proton oder ein Proton und ein oder zwei Neutronen haben) und will, dass eine Fusion überhaupt anfängt, muss man erst diese Kerne ganz nah zueinander bringen. Das kann nur unter hohem Druck und hoher Temperatur passieren.

Das ist der Fall im Kern eines Sterns. Da ist der Druck und die Temperatur so hoch, dass tatsächlich Kernfusion anfängt. Im Labor ist es wirklich sehr schwer solche Bedingungen zu erzeugen. Die Wissenschaftler machen schon Versuche und sie sind ziemlich weit, sind aber noch entfernt von der Erzeugung von genügend Energie mit Kernfusion.