Willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das
Universum, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und
lernen. Kennst du schon unsere anderen
Schlafreisereien wie Schlafreise durch vergessene Welten oder
durch die Natur? Lass dich an diesem Abend
mitnehmen auf eine Reise zu den größten und leuchtkräftigsten
Objekten, die unser Universum hervorbringt, eine Reise zu den
massereichen Sternen. Jenen kosmischen Giganten, deren
Leben in einem Feuerwerk endet, das ganze Galaxien für kurze
Zeit überstrahlen kann. Heute begleiten wir diese Sterne
auf ihrem Weg vom strahlenden Glanz bis zu ihrem letzten
gewaltigen Aufleuchten und darüber hinaus.
Stell dir einen Stern vor, vielleicht denkst du an unsere
Sonne, dieses warme, vertraute Licht, das jeden Morgen den
Himmel über deiner Heimat erhellt.
Unsere Sonne ist ein freundlicher, mittelgroßer
Stern, ein gelber Zwerg, der seit etwa viereinhalb Milliarden
Jahren stabil vor sich hinleuchtet.
Doch im weiten Kosmos gibt es Sterne, gegen die unsere Sonne
wie eine kleine Kerze wirkt. Sterne, die 1020, 50 oder gar
mehr als 100 mal so viel Masse besitzen wie unsere Sonne,
Sterne, deren Durchmesser so unvorstellbar groß ist.
Dass sie, würde man sie an die Stelle unserer Sonne setzen, die
Bahnen der inneren Planeten verschlingen würden, manche
sogar die Bahn des Jupiter. Diese kosmischen Riesen führen
ein kurzes, aber atemberaubend intensives Leben, während unsere
Sonne insgesamt etwa 10 Milliarden Jahre lang stabil
leuchten wird, leben die wirklich massereichen Sterne nur
wenige Millionen Jahre. Sie verbrennen Ihren Brennstoff
in einem solchen Tempo, dass sie förmlich durch ihr Dasein rasen.
Ein Stern mit 30 Sonnenmassen lebt vielleicht nur 6000000
Jahre, während die kleinsten roten Zwergsterne hunderte
Milliarden Jahre überdauern können, weit länger als das
aktuelle Alter des Universums. Lass uns gemeinsam in diese Welt
eintauchen. Stell dir vor, du Schwebst durch
das Weltall, schwerelos, sicher und geborgen die Dunkelheit um
dich herum ist nicht bedrohlich, sondern weich und tragend.
Vor Dir entsteht ein Stern aus einer riesigen Wolke aus
Wasserstoff, Helium und feinem Staub, einer sogenannten
Molekülwolke, ballt sich Materie zusammen, die Schwerkraft zieht
die Gase enger und enger, der Druck im Inneren steigt.
Die Temperatur wächst auf Millionen Grad.
Schließlich erreicht das Zentrum den entscheidenden Punkt, an dem
Wasserstoffkerne zu Helium verschmelzen können.
Die Kernfusion zündet, ein neuer Stern ist geboren, bei einem
massereichen Stern geschieht dies mit einer Wucht und
Geschwindigkeit, die schwer vorstellbar ist.
Während kleinere Sterne sanft und langsam aufleuchten,
durchläuft ein massereicher Stern seine Entstehungsphase.
In nur wenigen 100000 Jahren. Er ist von Geburt an heißer,
blauer und Leuchtkräftiger als seine kleineren Geschwister.
Seine Oberflächentemperatur kann 30000 40000, ja bis zu 50000
Kelvin erreichen, während unsere Sonne mit etwa 5700 Kelvin
geradezu kühl wirkt. Diese heißen blauen Sterne
strahlen mit einer solchen Intensität.
Dass sie ihre eigene Geburtswolke regelrecht
wegblasen, ihre Sternwinde ständige Ströme aus geladenen
Teilchen sind 100 millionenfach stärker als der Sonnenwind
unserer Sonne. Pro Jahr können Sie eine
Materiemenge ins All schleudern, die dem Millionstel ihrer
eigenen Masse entspricht. Klingt wenig, doch über die
kurze Lebenszeit eines solchen Sterns summiert sich das auf
gewaltige Mengen. Während du weiter durch diese
sterngeschichte schwebst, lass uns einen Blick auf das Innere
eines massereichen Sterns werfen.
In seinem Kern verschmelzen Wasserstoffkerne zu Helium,
ähnlich wie in unserer Sonne, aber bei deutlich höheren
Temperaturen und über einen anderen Reaktionsweg, den
sogenannten CNO Zyklus Kohlenstoff, Stickstoff und
Sauerstoff dienen dabei als Katalysatoren.
Die selbst nicht verbraucht werden, aber die Verschmelzung
beschleunigen. Diese Reaktion ist ungeheuer
empfindlich gegenüber der Temperatur.
Steigt die Kerntemperatur, um nur 10%, verzwanzigfacht sich
die Energieproduktion fast genau das Macht massereiche Sterne so
verschwenderisch, sie verbrennen ihren Wasserstoffvorrat im
Eiltempo nach einigen Millionen Jahren ist der Wasserstoff im
Kern aufgebraucht. Was nun folgt, ist eine Kette
von Ereignissen, die in immer kürzeren Zeitabständen abläuft,
fast so, als würde sich der Stern in einen Strudel begeben,
dessen sog mit jeder Umdrehung schneller wird, wenn der
Wasserstoff im Kern erschöpft ist, zieht sich der Kern
zusammen und heizt sich weiter auf, bei etwa 100000000 Grad
zündet die nächste Stufe der Kernfusion, Heliumkerne
verschmelzen über den sogenannten. 3 Alpha Prozess zu
Kohlenstoff 3 Heliumkerne, auch Alphateilchen genannt,
fusionieren zu einem Kohlenstoffkern.
Während dies geschieht, dehnen sich die äußeren Schichten des
Sterns gewaltig aus. Aus einem heißen blauen Riesen
wird ein noch viel größerer, kühlerer roter Überriese seine
Oberfläche leuchtet nun nicht mehr blau.
Sondern in einem warmen, tiefen Rot oder Orange.
Beispiele solcher roten Überriesen kennen wir auch am
Nachthimmel beteigeuze im Sternbild Orion ist einer von
ihnen, ebenso Antares im Skorpion, Beteigeuze hat einen
Durchmesser von schätzungsweise 700 bis 1000 mal dem unserer
Sonne würde man diesen Stern an die Stelle unserer Sonne setzen
würde. Würde er die Erdbahn weit hinter
sich lassen und vermutlich bis zur Bahn des Jupiter reichen?
Stell dir das einen Moment vor. Ein einziger Stern so groß, dass
die innere Hälfte unseres Sonnensystems in seinem
glühenden Inneren verschwinden würde.
Doch das Leben eines roten Überriesen ist nur ein weiteres
kurzes Kapitel, die Heliumfusion läuft sehr viel schneller ab als
die Wasserstofffusion. Wo der Stern zuvor Millionen
Jahre Wasserstoff verbrannte, verbrennt er nun in nur einigen
100000 Jahren sein Helium. Und was dann hier beginnt, ein
faszinierender Abschnitt im Leben des Sterns, den
Astronominnen und Astronomen die Phase der schweren Elemente
nennen, wenn das Helium im Kern aufgebraucht ist, zieht sich der
Kern erneut zusammen und erhitzt sich weiter.
Bei etwa 500000000 Grad beginnt der Kohlenstoff zu fusionieren.
Aus Kohlenstoffkernen entstehen Sauerstoff, Neon und Magnesium.
Diese Phase dauert nur noch wenige 100 bis wenige 1000
Jahre, es geht immer schneller weiter auf die Kohlenstoffphase
folgt die Neonphase, die nur wenige Jahre dauert, dann die
Sauerstoffphase, die in Monaten gemessen wird, schließlich die
Siliziumphase. In der Silizium und Schwefel zu
Eisen verschmelzen. Diese letzte stabile Brennphase
dauert in einem massereichen Stern oft nur wenige Tage,
manche Berechnungen sprechen sogar von nur 48 Stunden bis zu
wenigen Wochen. Im Inneren des Sterns hat sich
währenddessen eine bemerkenswerte Struktur
gebildet, die Astronominnen und Astronomen oft mit einer Zwiebel
vergleichen. Im äußersten Bereich verbrennt
noch immer Wasserstoff, darunter liegt eine Schale, in der Helium
fusioniert. Weiter innen folgen Schalen aus
Kohlenstoff, Neon, Sauerstoff und Silicium im Allerinnersten
Kern aber sammelt sich etwas Bemerkenswertes an Eisen, Eisen
ist das Element, mit dem die Geschichte der stellaren
Kernfusion endet, denn die Fusion von Atomkernen setzt nur
dann Energie frei. Wenn die entstehenden Kerne
fester gebunden sind als die Ausgangskerne bei Eisen, ist
diese Bindungsenergie pro Nukleon am höchsten.
Würde man Eisenkerne weiter verschmelzen, würde dies keine
Energie mehr freisetzen, sondern Energie verbrauchen, damit ist
die Energiequelle des Sterns versiegt, was nun folgt, ist
eines der dramatischsten Ereignisse im gesamten
Universum. Lass dich von der Vorstellung
tragen. Du Schwebst weiterhin sicher in
einer kosmischen Beobachterposition, weit
entfernt, geschützt durch Raum und Zeit und siehst zu, wie ein
massereicher Stern seinem Ende entgegengeht.
Im Kern des Sterns sammelt sich immer mehr Eisen, die Temperatur
dort erreicht Werte von mehreren Milliarden Grad, der Druck ist
unvorstellbar hoch. Doch ohne Energiequelle kann der
Kern dem Druck der darüber liegenden Schichten nicht mehr
standhalten. Die Elektronen, die bisher den
Kern stabilisierten, werden in die Atomkerne hineingedrückt,
sie verschmelzen mit den Protonen zu Neutronen, wobei
winzige Teilchen, sogenannte Neutrinos, frei werden,
innerhalb von Sekundenbruchteilen kollabiert
der Kern aus einer eisernen Kugel von der Größe der Erde.
Wird ein Objekt von gerade einmal 20 bis 30 Kilometern
Durchmesser. Die Materie wird so dicht
zusammengepresst, dass ein Teelöffel davon auf der Erde
mehr wiegen würde als ein ganzer Berg.
Wir sprechen von Neutronenstern, Materie, einer Form von Materie,
die so extrem ist, dass sie auf der Erde unmöglich existieren
könnte, während der Kern in sich zusammenstürzt, fallen die
äußeren Schichten des Sterns nach.
Sie prallen jedoch auf den nun unglaublich harten Neutronenkern
und werden zurückgeschleudert. Gleichzeitig spielen die
Neutrinos eine entscheidende Rolle, obwohl Neutrinos
normalerweise kaum mit Materie wechselwirken, ist die Dichte
hier so hoch, dass sie einen winzigen Teil ihrer Energie an
die einstürzenden Schichten abgeben, das genügt, um eine
gewaltige Stoßwelle anzutreiben, die den Stern in einer
gigantischen Explosion zerreißt, die.
Eine Supernova ist geboren, eine Supernova vom Typ 2, also eine
kernkollaps Supernova, setzt in wenigen Sekunden mehr Energie
frei als unsere Sonne in ihrem gesamten 10 Milliarden Jahre
langen Leben etwa 99% dieser Energie wird in Form von
Neutrinos abgestrahlt, nur ein Prozent wird zu kinetischer
Energie, der Ausgeworfenen Materie und nur etwa ein
Hundertstel davon zu sichtbarem Licht.
Doch dieses eine Hundertstel des einen Prozents reicht aus, um
eine ganze Galaxie für Wochen zu überstrahlen.
Eine Supernova kann so hell werden wie 10 Milliarden Sonnen
zusammen Beobachterinnen und Beobachter auf der Erde haben
solche Sternenexplosionen seit Jahrtausenden registriert, im
Jahr 1054 nach unserer Zeitrechnung beobachteten
chinesische Astronominnen und Astronomen.
Einen neuen Stern im Sternbild Stier, der so hell war, dass er
sogar tagsüber sichtbar blieb. 23 Tage lang.
Heute sehen wir an dieser Stelle den Krebsnebel, eine prächtige,
sich noch immer ausdehnende Wolke aus Gas und Staub, in
deren Zentrum ein schnell rotierender Neutronenstern, ein
sogenannter Pulsar, sitzt. Eine andere berühmte historische
Supernova ereignete sich 1572 tychobrahe, ein dänischer
Astronom, beobachtete sie ausführlich und erkannte, dass
es sich tatsächlich um einen neuen Stern und nicht etwa um
einen Kometen handelte. Diese Erkenntnis erschütterte
das damalige Weltbild, das davon ausging, dass die Sphäre der
Fixsterne ewig und unveränderlich sei.
Eine Supernova kann eben mehr verändern als nur die kosmische
Materieverteilung. Sie kann auch unser Verständnis
vom Universum verändern. Und dann gibt es noch SN 1987 a,
die nächstgelegene Supernova der modernen Zeit, sie explodierte
in der großen Magellanschen Wolke, einer Begleitgalaxie
unserer Milchstraße, etwa 160000 Lichtjahre von uns entfernt.
Wenige Stunden vor dem optischen aufleuchten registrierten
Neutrino Detektoren auf der Erde einer in Japan und einer in den
Vereinigten Staaten und einer in Russland, einen Schauer aus
Neutrinos. Das war der direkte Nachweis
dessen, was wir gerade besprochen haben, der Kollaps
eines massereichen Sterns sendet vor allem Neutrinos aus, und sie
erreichen die Erde sogar früher als das Licht der Explosion.
Weil sie aus dem Inneren des Sterns ungehindert entkommen
können, während das Licht erst durch die expandierenden
Schichten dringen muss. Was bleibt nach einer solchen
Explosion zurück? Das hängt von der ursprünglichen
Masse des Sterns ab, bei Sternen mit etwa 8 bis 20 Sonnenmassen
bleibt im Zentrum jener bereits erwähnte Neutronenstern zurück,
ein Objekt von nur 20 bis 30 Kilometern Durchmesser.
Aber mit ein bis zweimal der Masse unserer Sonne.
Die Dichte ist so unglaublich hoch, dass ein Würfel mit einem
Zentimeter Kantenlänge auf der Erde 400000000 Tonnen wiegen
würde. Neutronensterne sind
faszinierende Objekte, sie rotieren oft mit irrwitziger
Geschwindigkeit, manche bis zu 700 mal pro Sekunde, sie
besitzen Magnetfelder, die Billionen mal stärker sind als
das der Erde. Und sie senden gebündelte
Strahlung aus, die wie der Lichtstrahl eines kosmischen
Leuchtturms über das Universum streicht.
Wenn dieser Strahl bei seiner Drehung zufällig die Erde
trifft, sehen wir regelmäßige Pulse und nennen das Objekt
einen Pulsar bei noch massereicheren Sternen, jenen
mit mehr als etwa 20 oder 25 Sonnenmassen, reicht selbst der
Druck der Neutronen nicht aus, um den Kollaps zu stoppen.
Die Materie stürzt weiter in sich zusammen, bis nichts mehr
ihrem Fall Einhalt gebieten kann.
Es entsteht ein schwarzes Loch, ein schwarzes Loch ist ein Ort
im Raum, an dem die Schwerkraft so stark ist, dass nichts mehr
entkommen kann, nicht einmal das Licht, das ist es auch, was
diesen Objekten ihren Namen gegeben hat, sie sind nicht
direkt sichtbar, weil kein Licht von ihnen zu uns gelangt.
Wir können sie nur indirekt nachweisen, etwa durch ihre
Wirkung auf umgebende Materie oder durch das Verhalten von
Sternen, die sie umkreisen. Im Jahr 2019 gelang es
Forschenden erstmals, ein schwarzes Loch direkt
abzubilden. Das Event Horizon Telescope, ein
weltweiter Verbund von Radioteleskopen, fotografierte
das Supermassereiche schwarze Loch im Zentrum der Galaxie m
87. Auf dem Bild sehen wir einen
leuchtenden Ring aus heißer Materie, der das schwarze Loch
umgibt und in der Mitte einen dunklen Schatten, den
Ereignishorizont. Wenige Jahre später folgte das
Bild von Sagittarius A Stern, dem Schwarzen Loch im Zentrum
unserer eigenen Milchstraße, doch zurück zu unserer Reise,
wir haben gesehen, wie ein massereicher Stern entsteht, wie
er lebt, wie er stirbt und was zurückbleibt.
Doch die Geschichte ist damit noch nicht zu Ende.
Eine Supernova ist nicht nur ein Ende, sondern auch ein Anfang in
den unvorstellbar heißen Bedingungen einer Supernova
Explosion entstehen schwere chemische Elemente, die unter
normalen Umständen niemals entstehen könnten, in
Sekundenbruchteilen werden Neutronen auf Atomkerne
aufgebaut, die sich anschließend in schwerere Elemente umwandeln.
Dieser Prozess wird R Prozess genannt.
Wobei das R für rapide steht, also schnell auch in den
ruhigeren Phasen davor, etwa in den Brennschalen der späten
Sternentwicklung oder in den Trümmern explodierter Sterne,
entstehen schwere Elemente durch andere Prozesse, etwa durch den
langsamen Essprozess. Diese Vorgänge erzeugen das
Eisen in deinem Blut, das Calcium in deinen Knochen, den
Sauerstoff in der Luft, die du atmest.
Dass Silithium in den Computerchips deines Smartphones
das Gold in einem Schmuckstück, das Uran in einem Kraftwerk
jeder schwerere Atomkern als Wasserstoff und Helium mit
Ausnahme einer kleinen Menge Lithium ist in einem Stern oder
bei einer Sternexplosion entstanden.
Wir alle, du, ich, jeder Mensch, jede Pflanze, jedes Tier, jedes
stäubchen Erde. Sind aus den Überresten längst
gestorbener Sterne aufgebaut. Carl Sagan, ein berühmter
amerikanischer Astronom, formulierte es einmal poetisch,
wir bestehen alle aus Sternenstaub, und das ist keine
Metapher, sondern wissenschaftliche Realität.
Die Materie, die bei einer Supernova ins All geschleudert
wird, vermischt sich mit den weiten Wolken aus Gas und Staub,
die unsere Galaxie durchziehen. Aus diesen angereicherten Wolken
entstehen neue Generationen von Sternen, die wiederum Planeten
um sich herum bilden können. Auf manchen dieser Planeten kann
unter günstigen Bedingungen leben entstehen, aus toten
Sternen wird Neues werden, unser eigenes Sonnensystem ist vor
etwa viereinhalb Milliarden Jahren aus einer solchen
angereicherten Wolke entstanden, vermutlich trug eine nahe
Supernova Explosion sogar dazu bei.
Dass die Wolke kollabierte und sich daraus unsere Sonne, die
Erde und alle anderen Planeten bildeten.
Wir verdanken unsere Existenz also direkt dem Tod früherer
Sterne. Dass diese Vorstellungen einen
Moment auf dich wirken, jedes Atom in deinem Körper, das
schwerer ist als Wasserstoff, war einmal Teil eines Sterns,
vielleicht eines roten Überriesen, der in einer
gewaltigen Supernova zerrissen wurde.
Lange bevor unsere Sonne zu leuchten begann.
Vielleicht entstand das Eisen in deinem Blut sogar bei der
Verschmelzung zweier Neutronensterne, einem Ereignis,
das wir Kilonova nennen und das erst seit 2017 direkt beobachtet
werden kann, dank der Gravitationswellendetektoren,
die Forschende auf der Erde gebaut haben, im August 2017
nahmen die Detektoren Ligo in den Vereinigten Staaten.
Und virgo in Italien das Signal einer solchen Kollision auf 2
Neutronensterne in einer fernen Galaxie, etwa 130000000
Lichtjahre von uns entfernt, waren ineinander gestürzt.
Die Erschütterung der Raumzeit, selbst eine Gravitationswelle,
erreichte unsere Detektoren wenige Sekunden später
registrierten Weltraumteleskope einen kurzen Gammablitz aus
derselben Richtung. In den folgenden Tagen und
Wochen wurde das Nachglühen der Kollision in nahezu allen
Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums
beobachtet. Die Analyse zeigte, dass bei
diesem einen Ereignis Schwermetalle in einer Menge
entstanden waren, die mehrere 100 Erdmassen ausmachen würde,
darunter beträchtliche Mengen Gold und Platin, das nächste
Mal, wenn du auf einen goldenen Ring blickst oder auf den
Schmuck einer geliebten Person, denke daran.
Diese Atome sind möglicherweise vor Milliarden Jahren bei der
Verschmelzung zweier Neutronensterne entstanden,
geschmiedet im Feuer eines kosmischen Endkampfs, durch das
All getragen und schließlich in die Wolke geraten, aus der
unsere Erde entstand, während wir uns dem Ende dieser Folge
nähern. Lass uns einen Moment innehalten
und nachdenken, massereiche Sterne leuchten unfassbar hell.
Leben kurz, sterben spektakulär und hinterlassen die Bausteine
für neue Welten. Sie sind die kosmischen
Recyclingmaschinen, ohne die das Universum eine viel ärmere Welt
wäre, eine Welt aus Wasserstoff und Helium, ohne Planeten, ohne
Wasser, ohne Leben. Doch unter all den Welten, die
wir kennen, gibt es bislang nur eine, auf der wir mit Sicherheit
leben gefunden haben. Diese Welt ist klein.
Lau mit weißen Wolkenschwaden, überzogen mit Ozeanen und
Wäldern, mit Wüsten und Eisfeldern, mit Bergen und
Flüssen. Sie ist unsere Erde, und sie
ist, soweit wir wissen, der einzige Ort im gesamten
beobachtbaren Universum, an dem aus Sternenstaub denkende,
fühlende, träumende Wesen geworden sind, während wir in
den Weiten des Kosmos nach anderen Welten suchen.
Während wir Supernovae studieren und Neutronensterne erforschen,
sollten wir nicht vergessen, wie kostbar und einmalig unser
eigener Planet ist. Massereiche Sterne werden auch
ohne uns weiter explodieren. Galaxien werden weiter rotieren,
das Universum wird sich weiter ausdehnen, doch unsere Erde,
dieses zerbrechliche, lebendige Juwel im All, braucht unseren
Schutz. Wir alle tragen Verantwortung
dafür, dass die nächsten Generationen unter dem gleichen
Sternenhimmel staunen können, wie wir heute.
Und so endet unsere heutige Reise zu den massereichen
Sternen, zu ihrem letzten Leuchten und zu dem, was sie uns
hinterlassen haben. Du bist Sternenstaub, der das
Universum betrachtet, lass diese Vorstellung dich tragen, sanft
hinüber in den Schlaf.