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Leben eines Sterns 09:39 min

Textversion des Videos

Transkript Leben eines Sterns

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Das lange Leben eines Sterns. Für dieses Video solltet ihr bereits die Filme über die Kernfusion und das Hertzsprung-Russell-Diagramm gesehen haben. Wir lernen heute:-Wie Sterne entstehen-Welche Phasen sie im Laufe ihres Lebens durchschreiten und-Wie sie sterben. Dann wollen wir mal. Wie wird denn nun so ein Stern überhaupt geboren? Die Antwort ist eigentlich ganz einfach. In sogenannten "interstellaren Wolken", also riesigen Nebeln aus Gas und Staub, entstehen unter dem Einfluss der Schwerkraft Sterne. Hier seht ihr zum Beispiel den Orionnebel. Das ist so eine gewaltige Wolke aus Gas, in der Sterne geboren werden. Im Detail funktioniert das ungefähr so: Ist genügend Gas vorhanden, so versucht sich dieses zu einer Kugel zusammenzuziehen, ähnlich der Erde, die unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft die Kugelgestalt angenommen hat. Dabei strömen also riesige Massen auf ein gemeinsames Massenzentrum zu, das dabei immer schwerer wird. So entsteht ein sogenannter Protostern, also die Vorstufe eines Hauptreihensterns. Hat sich dieser Protostern fertig zu einer Gaskugel verdichtet, sodass Druck und Temperatur im Inneren so hoch sind, dass die Kernfusion beginnen kann, so sagt man, der Protostern hat seine Entwicklung abgeschlossen und ist zum Hauptreihenstern geworden, wie zum Beispiel unsere Sonne. So weit, so gut. Gas und Staub aus einer interstellaren Wolke verdichtet sich also zu einer riesigen Kugel, bis im Inneren dieser Kugel der Druck und die Temperatur so hoch sind, um Kernfusion zu ermöglichen. Warum aber leuchtet dann auch schon der Protostern, und zwar sehr sehr stark? Die Antwort ist eigentlich sehr einfach. Beim Zusammenbruch unseres Gases rasen ständig mit hoher Geschwindigkeit Gas- und Staubteilchen auf unseren ständig wachsenden Gasball. Diese Teilchen werden dadurch unglaublich heiß und dadurch werden große Mengen an Strahlung abgegeben. Deshalb sind diese Protosterne auch so hell. Dazu kommt, dass ein Protostern eine viel geringere Dichte als ein fertiger Stern hat. Er ist also viel größer und daher am Himmel auch viel deutlicher sichtbar. Hat ein Protostern ungefähr die Masse der Sonne, dann hätte er ca. die 50-fache Leuchtkraft. Nun kommen wir allerdings in die Phase, wo aus unserem Protostern so langsam ein richtiger, ordnungsgemäßer Hauptreihenstern wird. Folgendes passiert: Durch den sogenannten Sternenwind, also ein Materiestrom, der von dem Stern ausgeht, wird die Aufnahme von Gas aus der Umgebung so langsam aber sicher beendet. Außerdem hat der Stern in seinem Inneren inzwischen Bedingungen erreicht, bei denen die sogenannte Deuteriumfusion, also das Verschmelzen von 2 Wasserstoffkernen zu einem schweren Wasserstoffkern möglich ist. Durch die große Hitze, die dadurch entsteht, beginnt der Stern zuerst sich aufzublähen, dann schrumpft er aber unter dem Einfluss der Schwerkraft und seiner steigenden Dichte immer weiter, bis in seinem Inneren durch den Druck der Gravitation die Bedingungen so extrem sind, dass die komplette Fusion von Wasserstoff zu Helium stattfinden kann. Ist diese Kernfusion, deren Formel ich euch hier noch einmal aufgeschrieben habe, (mehr findet ihr im Video zur Kernfusion) erst einmal in Gang, dann sagt man, die Geburt des Sterns ist abgeschlossen. Er ist nun ein Hauptreihenstern. Aber wie sieht nun das Leben eines solchen Sternes aus und wovon hängt ab, wie genau es abläuft? Das sehen wir uns im nächsten Kapitel an. Die Lebensdauer eines Sternes wird von seinem Brennstoffvorrat im Kernbereich bestimmt, das heißt, wie viel Wasserstoff befindet sich in dem Bereich im Kern der Sonne, an dem die Gravitation für so extreme Bedingungen sorgt, dass eine Kernfusion stattfinden kann. Bei der Sonne sind das zum Beispiel etwas über 10% ihrer Gesamtmasse. Das heißt aber auch, dass die Lebensdauer davon abhängt, wie die Wolke aus der der Stern entstanden ist, zusammengesetzt war. Bestand sie nur aus Sauerstoff oder finden sich auch noch viele andere Stoffe darin. Generell kann man auf jeden Fall sagen, je größer die Masse eines Sternes, desto schneller verbrennt er. Aber was passiert nun, wenn der Kern vollständig verbrannt ist? Das kommt darauf an. Zuerst einmal passiert generell Folgendes. Ist der Brennstoffvorrat aufgebraucht, das heißt, hat sich im Kernbereich alles von Wasserstoff zu Helium umgewandelt, dann wird sich dieser Kern zusammenziehen. Wir haben dann also eine Heliumkugel in der Mitte, um die herum sich immer noch eine riesengroße Wasserstoffwolke befindet. Während der Kern sich verdichtet, dehnen sich die äußeren Schichten aus. Unser Stern wächst also, man nennt ihn dann einen roten Riesen. Die Kernfusion läuft nun in den Schichten um den Kern ab. Das heißt, rund um den Heliumkern verbrennt weiterhin Wasserstoff zu Helium und der Heliumkern wächst dadurch weiter. Dies geht so lange weiter, bis unser Heliumkern so groß und so dicht ist, dass in seinem Inneren die Temperaturen ausreichen, um das Helium wiederum zu fusionieren. Der rote Riese ist also sozusagen die nächste Brennstufe. Je schwerer die Elemente sind, die ich im Inneren meines Sterns durch Fusion erzeugen will, desto krasser müssen die Bedingungen sein. Ich kann also anhand der Anfangsmasse und der Zusammensetzung eines Sternes voraussagen, bis zu welchem Element im Periodensystem dieser Stern fusionieren kann. Habe ich dieses Element erreicht, so kann der Stern keine weitere Kernfusion mehr durchführen und die Reaktionen in seinem Inneren kommen zum Erliegen. Der Stern stirbt. Unser Stern stößt dann seine restliche Hülle ab und nur der Kern bleibt übrig. Was aber nun genau mit dem Kern passiert, das sehen wir uns im letzten Kapitel an. Wir haben also gehört, das Gas im Inneren eines Sternes, wird durch Kernfusion immer wieder in neue Elemente verschmolzen, bis, abhängig von seiner Anfangsmasse und seiner Zusammensetzung, die Bedingungen für den nächsten Schritt nicht mehr ausreichen. Der Kern stößt dann den Rest seines Nebels ab und bleibt alleine übrig. Was er dann aber genau ist und welche Eigenschaften er besitzt, das hängt davon ab, welche Restmasse dieses Kernstück noch hat. Ist seine Masse kleiner als ungefähr 1,4 Sonnenmassen, so entsteht ein sogenannter weißer Zwerg. Dieser hat eine sehr hohe Oberflächentemperatur und strahlt oft im ultravioletten Bereich des Spektrums Energie ab. Da von innen aber keine Energie mehr nachkommt, die Kernfusion läuft ja nicht mehr,  kommt langsam aber sicher seine Strahlung zum Erliegen. Er kühlt aus und wird dann als schwarzer Zwerg bezeichnet. Liegt die Restmasse zwischen 1,4 und ungefähr 3 Sonnenmassen, dann entsteht ein sogenannter Neutronenstern. Hier ist die Anziehungskraft so groß, dass die Atome sozusagen ineinander stürzen. Das heißt, die Abstoßungskraft der Atomhüllen reicht nicht aus, um die Kerne voneinander fernzuhalten. Die Elektronen verwandeln sich mit den Protonen in Neutronen und alles wird zu einer einzigen großen Atomkernkugel. Dabei entsteht eine unglaublich dichte Kugel. Sie hat ungefähr den Durchmesser einer Großstadt, aber die Masse von bis zu 3 Sonnen. Der Rückstoß, der bei solch einem Ineinanderstürzen entsteht, wird Supernova genannt. Er sprengt die gesamte verbleibende Gashülle ab und sorgt dafür, dass der Stern für ungefähr einige Wochen unglaublich hell leuchtet. Ist der Restkern schwerer als 3 Sonnenmassen, so kommen wir zu den richtigen Schwergewichten. Dann entsteht ein sogenanntes schwarzes Loch. Das heißt, der Stern bricht einfach haltlos in sich zusammen. Es entsteht ein winziger Körper mit gewaltiger Masse, der so schwer ist, dass nicht einmal Licht seiner Anziehungskraft entkommen kann. Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Sterne entstehen in interstellaren Wolken aus Gas und Staub. Ihre Lebensdauer hängt von ihrer Masse und Zusammensetzung ab. Je größer die Masse, desto größer der Bereich in seinem Inneren, in dem Kernfusion möglich ist, desto schneller verbrennt er. Setzt die Kernfusion aus, so werden die Sterne zu weißen Zwergen, Neutronensternen oder schwarzen Löchern. Und je höher der Wasserstoffgehalt ist, desto mehr Brennstoff für die erste Fusionsstufe befindet sich in diesem Bereich, desto schneller verbrennt der Stern. Die Restmasse M des Kerns entscheidet, welcher Fall eintritt. Wiegt der Kern weniger als 1,4 Sonnenmassen, so entsteht ein weißer Zwerg. Wiegt er zwischen 1,4 und ungefähr 3 Sonnenmassen, so entsteht ein Neutronenstern. Wiegt er noch mehr, so entsteht ein schwarzes Loch. So, das war's schon wieder für heute. Ich hoffe ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen bis vielleicht zum nächsten Mal, euer Kalle.

1 Kommentar
  1. Toll ;)

    Von Aaron Luis, vor mehr als 4 Jahren

Leben eines Sterns Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Leben eines Sterns kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib die richtige Reihenfolge des Lebenszyklus eines Sterns an.

    Tipps

    Woraus besteht ein Stern im Wesentlichen?

    Proto ist ein Bestimmungswort, welches in Zusammensetzungen erster, vorderster oder wichtigster bedeuten kann.

    Lösung

    Sterne bestehen in der Regel aus Gas. Dieses kommt in der Natur meist in Form von Wolken vor. So auch bei der Entstehung von Sternen.

    Jeder Stern entsteht aus einer Ansammlung von Gas, welches sich immer weiter verdichtet zu einem Protostern.

    Dieser Protostern sendet starke Sternenwinde aus, welche allmählich die weitere Aufnahme von Gas beenden. Die Temperatur und der Druck im Inneren des Sterns steigen an und es bildet sich der Hauptreihenstern.

    Ist das gesamte Gas (der Brennstoff) aufgebraucht, zieht sich der Kern zusammen. Um den Kern herum dehnen sich jedoch die äußeren Wasserstoffschichten aus. Der Stern wächst also. Es bildet sich ein Roter Riese.

  • Gib an, wie Sterne entstehen.

    Tipps

    Sterne bestehen hauptsächlich aus Gas. In welcher Form könnte dieses Gas vorkommen?

    Was könnte der Grund dafür sein, dass sich das Gas verdichten kann?

    Lösung

    Sterne bestehen in der Regel aus Gas. Dieses kommt in der Natur meist in Form von Wolken vor. So auch bei der Entstehung von Sternen.

    Jeder Stern entsteht aus einer Ansammlung von Gas, welches sich immer weiter verdichtet. Grund hierfür ist die Gravitation.

  • Gib die passenden Aussagen zu den jeweiligen Endstufen eines Sterns an.

    Tipps

    $M_0$ ist das Formelzeichen für die Masse der Sonne.

    Das Schwarze Loch besitzt einen nahezu unendlich große Masse und Dichte.

    Wie verhalten sich mythologisch die Zwerge zu Riesen?

    Lösung

    Weiße und Schwarze Zwerge können nur aus relativ leichten Sternen entstehen. Jeder Stern, welcher leichter als das 1,4-fache der Sonnenmasse $M_0$ ist, wird zu einem Weißen Zwerg. Kühlt anschließend der Weiße Zwerg ab, so spricht man von einem Schwarzen Zwerg.

    Neutronensterne bilden das Endstadium von mittelschweren Sternen. Deren Masse liegt zwischen dem 1,4-fachen und 3-fachen der Sonnenmasse $M_0$ ($1,4~M_0<M<3~M_0$).

    Somit bleiben noch die Schwarzen Löcher übrig. Diese entstehen aus sehr schweren Sternen. Jeder Stern, der nicht zu einem Neutronenstern wird ($M>3~M_0$), fällt zu einem Schwarzen Loch zusammen.

  • Bestimme, wie schwer ein Stern mindestens sein muss, um zu einem Schwarzen Loch zusammenzufallen ($M_0=1,9884\cdot 10^{30}~kg$).

    Tipps

    $M_0$ ist die Masse der Sonne.

    Ein Stern muss mindestens die dreifache Masse der Sonne haben, um zu einem Schwarzen Loch werden zu können.

    Lösung

    Um diese Aufgabe lösen zu können, schreiben wir die gegebenen und gesuchten Größen auf.

    Gegeben: $M_0=1,9884\cdot 10^{30}~kg$

    Gesucht: Die geringste Masse $M$ eines Sterns, welche benötigt wird, um ein Schwarzes Loch zu erhalten. Ein Stern muss dabei mindestens die dreifache Masse der Sonne haben, um zu einem Schwarzen Loch werden zu können.

    Es gilt $M>3\cdot M_0$ für die Entstehung eines Schwarzen Lochs. Die kleinste Masse für $M$ erhalten wir bei $M=3\cdot M_0$, da alle größeren Massen die gesuchte Masse nur übersteigen können.

    Formel: $M=3\cdot M_0$

    Berechnung: $M=3\cdot M_0=3\cdot 1,9884\cdot 10^{30}~kg=5,9652\cdot 10^{30}~kg$

    Antwortsatz: Wenn ein Stern mindestens eine Masse von $5,9652\cdot 10^{30}~kg$ besitzt, fällt er am Ende seines Lebens in ein Schwarzes Loch zusammen.

  • Nenne, was nach dem Tod der Sonne aus ihr entsteht.

    Tipps

    Was aus der Sonne nach ihrem Tod geschieht, kann auf Grundlage ihrer Masse erklärt werden.

    Ist die Sonne schwer genug, um zu einem Schwarzen Loch zusammenzufallen?

    Lösung

    Die Sonne mag dir zwar enorm groß vorkommen, doch im Vergleich zu anderen Sternen ist sie eher klein und leicht.

    Aus diesen kleineren Sternen (wie der Sonne) bilden sich die sogenannten Weißen Riesen. Dies gilt für jeden Stern, welcher leichter als das 1,4-facher der Sonnenmasse $M_0$ ist.

  • Gib an, welche dieser Himmelskörper einzelne Sterne sind.

    Tipps

    Aufgrund der Kernfusion können Sterne leuchten. Planeten können das nicht.

    Planeten umkreisen Sterne.

    Lösung

    Um die Aufgabe lösen zu können, solltest du dich folgendes fragen. Was ist eigentlich ein Stern?

    Nun, ein Stern ist in der Physik beziehungsweise in der Astronomie ein massereicher, selbstleuchtender Himmelskörper, welcher sich aus Gas gebildet hat.

    Mit dieser Aussage können wir zahlreiche Antworten schon ausschließen, da die Erde, der Merkur, der Saturn und die Venus Planeten sind. Diese Planeten können selbst nicht leuchten und sind somit keine Sterne. Ihre Masse ist ebenfalls enorm klein im Vergleich zur Sonne.

    Als kleine Zusatzinformation: Die Masse der Sonne enthält $99,86 \%$ der gesamten Masse unseres Sonnensystems. Du siehst also, dass die oben genannten Planeten im Vergleich zur Sonne enorm klein sein müssen.

    Was ist jedoch mit dem Mond? Immerhin strahlt dieser hell in manchen Nächten. Doch dieses Licht wird nur von der Sonne reflektiert. Der Mond selbst kann nicht leuchten und ist zudem noch kleiner als die Erde. Er ist somit auch kein Stern.

    Der große Wagen hingegen ist eine Ansammlung von mehreren Sternen (ein Sternbild), aber selbst kein einzelner Stern. Bei der Milchstraße ist es ähnlich. Diese ist zwar eine Galaxie, welche aus enorm vielen Sternen besteht, jedoch ist die Milchstraße selbst kein einzelner Stern.

    Die beiden richtigen Antworten sind somit die Sonne und der Polarstern. Dass die Sonne selbst leuchten kann, hast du sicherlich schon erkannt. Der Polarstern ist in der Wissenschaft auch unter einem anderen Namen bekannt: α Ursae Minoris. Dieser Stern ist zwar etwas größer und deutlich heller als unsere Sonne. Doch aufgrund seiner weiten Entfernung sehen wir ihn nur als hellen Punkt in der Nacht.