Die Lebenszyklen der Sterne: Wie Supernovae entstehen
Es ist sehr poetisch zu sagen, dass wir aus dem Staub der Sterne gemacht sind. Erstaunlicherweise ist es auch wahr! Ein Großteil unseres Körpers und unseres Planeten besteht aus Elementen, die bei den Explosionen massereicher Sterne entstanden sind. Lassen Sie uns genau untersuchen, wie das sein kann.
Lebenszyklen von Sternen
Während der Hauptreihenstern leuchtet, wird der Wasserstoff in seinem Kern durch Kernfusion in Helium umgewandelt. Wenn der Wasserstoffvorrat im Kern zur Neige geht und der Stern keine Wärme mehr durch Kernfusion erzeugt, wird der Kern instabil und zieht sich zusammen. Die äußere Hülle des Sterns, die immer noch hauptsächlich aus Wasserstoff besteht, beginnt sich auszudehnen. Während sie sich ausdehnt, kühlt sie ab und leuchtet rot. Der Stern hat nun die Phase des Roten Riesen erreicht. Er ist rot, weil er kühler ist, als er es im Stadium des Hauptreihensterns war, und er ist ein Riese, weil sich die äußere Hülle nach außen ausgedehnt hat. Im Kern des Roten Riesen fusioniert Helium zu Kohlenstoff. Alle Sterne entwickeln sich auf die gleiche Weise bis zum Stadium des Roten Riesen. Die Menge der Masse eines Sterns bestimmt, welchen der folgenden Lebenswege er von dort aus einschlagen wird.
Der Lebenszyklus eines massearmen Sterns (linkes Oval)und eines massereichen Sterns (rechtes Oval).
Die obige Abbildung vergleicht die unterschiedlichen Entwicklungspfade, die massearme Sterne (wie unsere Sonne) und massereiche Sterne nach der Rotriesenphase einschlagen. Bei massearmen Sternen (linke Seite) kollabiert der Kern wieder, nachdem das Helium zu Kohlenstoff fusioniert ist. Während der Kern kollabiert, werden die äußeren Schichten des Sterns abgestoßen. Aus den äußeren Schichten bildet sich ein planetarischer Nebel. Der Kern bleibt als Weißer Zwerg erhalten und kühlt schließlich zu einem Schwarzen Zwerg ab.
Rechts in der Abbildung ist der Lebenszyklus eines massereichen Sterns (10-mal oder mehr als die Größe unserer Sonne) dargestellt. Wie massereiche Sterne werden auch massereiche Sterne in Nebeln geboren und entwickeln sich und leben in der Hauptreihenfolge. Ihre Lebenszyklen beginnen jedoch nach der Phase des Roten Riesen unterschiedlich. Ein massereicher Stern wird in einer Supernova-Explosion untergehen. Wenn der Überrest der Explosion 1,4- bis etwa 3-mal so massereich ist wie unsere Sonne, wird er zu einem Neutronenstern. Der Kern eines massereichen Sterns, der nach der Explosion mehr als etwa das Dreifache der Masse unserer Sonne hat, wird etwas ganz anderes tun: Die Schwerkraft überwindet die Kernkräfte, die Protonen und Neutronen daran hindern, sich zu verbinden. Der Kern wird also von seiner eigenen Schwerkraft verschluckt. Er ist nun zu einem Schwarzen Loch geworden, das jede Materie und Energie, die in seine Nähe kommt, anzieht. Was zwischen der Phase des Roten Riesen und der Supernova-Explosion passiert, wird im Folgenden beschrieben.
Vom Roten Riesen zur Supernova: Der Entwicklungsweg massereicher Sterne
 Die beiden Supernovae, eine rötlich-gelbe und eine blaue, bilden ein enges Paar knapp unterhalb der Bildmitte (rechts vom Galaxienkern) Image Credit: C. Hergenrother, Whipple Observatory, P. Garnavich, P.Berlind, R.Kirshner (CFA). |
Wenn der Kern im Wesentlichen nur noch Eisen enthält, hört die Fusion im Kern auf, weil Eisen das kompakteste und stabilste aller Elemente ist. Es wird mehr Energie benötigt, um den Eisenkern zu spalten, als bei jedem anderen Element. Die Erzeugung von schwereren Elementen durch die Fusion von Eisen erfordert daher eher eine Energiezufuhr als eine Energiefreisetzung. Da keine Energie mehr aus dem Kern abgestrahlt wird, beginnt der Stern in weniger als einer Sekunde die letzte Phase des Gravitationskollapses. Die Kerntemperatur steigt auf über 100 Milliarden Grad an, da die Eisenatome zusammengedrückt werden. Die abstoßende Kraft zwischen den Kernen überwindet die Schwerkraft, und der Kern stößt in einer Schockwelle aus dem Herzen des Sterns heraus, was wir als Supernova-Explosion sehen. |
Wenn der Schock auf Material in den tieferen Schichten des Sterns trifft, wird das Material erhitzt und fusioniert, um neue Elemente und radioaktive Isotope zu bilden. Während viele der gebräuchlicheren Elemente durch Kernfusion in den Kernen von Sternen entstehen, braucht es die instabilen Bedingungen der Supernova-Explosion, um viele der schwereren Elemente zu bilden.
Die Schockwelle schleudert dieses Material hinaus ins All.
Das Material, das vom Stern weggeschleudert wird, ist nun als Supernova-Überrest bekannt.
Das heiße Material, die radioaktiven Isotope sowie der übrig gebliebene Kern des explodierten Sterns erzeugen Röntgen- und Gammastrahlung.
Für den Schüler
Erstelle mit Hilfe der obigen Hintergrundinformationen (und weiteren Informationsquellen aus der Bibliothek oder dem Internet) ein eigenes Diagramm des Lebenszyklus eines massereichen Sterns.
Für den Schüler
Bestimmen Sie unter Verwendung des Textes und externer gedruckter Quellen die folgenden Begriffe: Protostern, Lebenszyklus, Hauptreihenstern, Roter Riese, Weißer Zwerg, Schwarzer Zwerg, Supernova, Neutronenstern, Pulsar, Schwarzes Loch, Fusion, Element, Isotop, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung.