AW: Himmelserscheinungen
Insofern interessiert mich nun besonders dieses:
"Unsere Sonne wird in ca. 6 Milliarden Jahren ebenfalls zum Roten Riesen mutiert sein. Sie wird dann doppelt so hell sein wie heute, ..."
Woher weiß man so etwas?
Diese Vorstellung wirkt auf einen ja wie eine Glühbirne: ehe sie ihren "Geist" aufgibt, wird sie für ein paar Sekunden über-hell.
Die allgemeine Antwort ist:
Die Entwicklungsgeschichte der Sonne (und anderer Sterne) ergibt sich aus den physikalischen Gesetzen, nach denen Kernreaktionen im Innern der Sonne ablaufen.
Diese Antwort wird dich vermutlich nicht ganz befriedigen. Deshalb noch einige Ausführungen zum Lebenszyklus der Sterne bzw. konkret unserer Sonne.
Unsere Sonne entstand durch Verdichtung einer interstellaren Gaswolke. Diese Wolke zog sich unter ihrer eigenen Schwerkraft immer weiter zusammen und zwar so lange, bis ihr Zentrum heiss (> 10 Mio. K) und dicht genug war, um die Verschmelzung (Fusion) von Wasserstoffkernen (Protonen) zu Heliumkernen in Gang zu setzen. Bei der Fusion von 4 Protonen wird die Bindungsenergie des Heliumkerns frei. Die Masse der 4 Protonen ist nämlich um 0,7% grösser als die Masse des entstandenen Heliumkerns, und dieser Massenunterschied entspricht gemäss Einsteins berühmter Formel E = m*c^2 einer Energiefreisetzung, die millionenfach grösser ist als die chemische Energiefreisetzung bei Verbrennungs- oder Explosionsvorgängen.
Nach dem Zünden der Kernfusion kommt der Kollaps der Gaswolke durch Eigengravitation zum Stillstand. Das Gewicht der äusseren Schichten des Sterns wird jetzt von den hohen Temperaturen und dem bei den Kernreaktionen im Sterninneren erzeugten Druck getragen. In diesem hydrostatischen Gleichgewicht befindet sich unsere Sonne seit ca. 5 Mrd. Jahren. Die thermonuklearen Reaktionen wandeln pro Sekunde ca. 400 Mio. Tonnen Wasserstoff in Helium um. Unsere Sonne und die anderen Sterne sind im Grunde lauter ferne Kernkraftwerke.
Exkurs:
Dass die Atome aus einem Kern und einer Elektronenhülle bestehen, weiss man seit den Experimenten von E. Rutherford (1911). Über die Zusammensetzung des Atomkerns weiss man allerdings erst seit der Entdeckung des Neutrons (1932) Bescheid. Darum ist das Jahr 1932 auch die Geburtstunde der Kernphysik (siehe auch den Beitrag #7 im Thread „Noch mehr Jubiläen“:
https://www.denkforum.at/threads/4426). Die Kernphysik ist ein Grundpfeiler der Astrophysik, der Physik der Sterne. Die uralte Frage, woher die Sonne ihre Energie bezieht, konnte in den 1930er Jahren beantwortet werden.
Die Kernfusion im Innern der Sonne verläuft langsam. Die Sonne scheint seit ca. 5 Mrd. Jahren. In weiteren ca. 5 Mrd. Jahren aber wird der Wasserstoff im Innern der Sonne aufgebraucht sein, und die Kernfusion hört im zentralen Teil auf. Stattdessen beginnt die Fusion der Wasserstoffkerne in einer Kugelschale um den zentralen Bereich. Die Zone der Kernreaktionen verlagert sich langsam immer weiter nach aussen, bis sie einen Punkt erreicht, an dem die Temperaturen unter 10 Mio. K absinken. Dann schaltet sich die Wasserstoff-Fusion selbsttätig ab. Mittlerweile aber ist durch die Eigengravitation der Sonne eine neue Kontraktion des heliumreichen zentralen Bereichs eingeleitet worden. Sie führt zum Ansteigen der Temperaturen sowie des Drucks (und damit der Dichte). Die Sonne treibt in eine zweite Runde der Kernreaktionen, bei der Heliumkerne zu Kohlenstoff- und Sauerstoffkernen verschmelzen. Dieser Prozess liefert der Sonne zusätzliche Energie, um noch eine begrenzte Zeit weiter zu scheinen. Unter der doppelten Einwirkung der Wasserstoff-Fusion in einer dünnen, weit vom Sonnenzentrum entfernten Schale und der unter hohen Temperaturen ablaufenden Fusion der Heliumkerne im Sonneninneren erfährt die Sonne eine einschneidende Verwandlung: Ihr Äusseres dehnt sich aus und kühlt ab, womit sie sich zum „Roten Riesen“ entwickelt. Nur relativ kurz, nämlich etwa 500 Mio. Jahre, wird die Sonne als Roter Riese existieren. Danach kommt es zum Abstossen der äusseren Hülle von rund einem Viertel der Masse. Der Rest schrumpft zu einem sehr dichten Objekt etwa von der Grösse der Erde, das als „Weisser Zwerg“ bezeichnet wird. Dieser leuchtet noch schwach für einige Milliarden Jahre.
Der Entwicklungsweg anderer Sterne kann von dem der Sonne erheblich abweichen. Sterne mit einer grösseren Masse verbrauchen ihren Wasserstoffvorrat viel rascher als unsere Sonne. So wird ein Stern von 10facher Sonnenmasse schon nach etwa 10 Mio. Jahren (statt 10 Mrd. Jahren wie die Sonne) zum Roten Riesen. Ein kleiner Stern mit einem Zehntel der Sonnenmasse geht dagegen sehr sparsam mit seinem Energievorrat um, leuchtet nur schwach und existiert etwa 10 Billionen Jahre.
Das Endstadium massereicher Sterne (> 8 Sonnenmassen) ist sehr dramatisch. Nach dem völligen Verbrauch ihres Kernbrennstoffs – die Fusionsprozesse mit exothermer Energiefreisetzung enden beim Eisen - können sie der Schwerkraft nicht mehr standhalten und kollabieren. Zunächst werden die innersten Bereiche in einer einzigen Sekunde (!) auf die ungeheure Dichte von 10^14 g/cm^3 zusammengepresst. Wäre die Erde so dicht, dann hätte sie einen Durchmesser von nur etwa 500 Metern. Bei dieser Dichte verbinden sich die Protonen und Elektronen zu Neutronen und Neutrinos. Wenn der Kollaps weitergeht, erreicht der gigantische Neutronenball einen Zustand höchster Dichte, bei dem er zurückprallt. Das löst eine gewaltige Schockwelle aus, die durch den Stern nach aussen läuft und die äusseren Schichten des Sterns vollständig zerreissen kann. Der Stern explodiert als Supernova. Die Leuchtkraft nimmt dabei millionen- bis milliardenfach zu, er wird für kurze Zeit so hell wie eine ganze Galaxie. In einer einzigen Sekunde wird eine Energiemenge abgegeben, die mit derjenigen vergleichbar ist, welche sämtliche Sterne im sichtbaren Universum abgeben!
Bei einer Supernova-Explosion kann der dichte, aus Neutronen bestehende Kern als Neutronenstern (Pulsar) übrigbleiben. Wenn seine Masse grösser ist als einige Sonnenmassen, dann kann er auch zu einem „Schwarzen Loch“ werden.
Ist das Schicksal des inneren Teils unseres Planetensystems (Merkur, Venus, Erde), wenn die Sonne zum Roten Riesen wird, schon schrecklich genug, so bleibt unserem Planetensystem wenigstens eine Supernova-Explosion der Sonne erspart. Das Endresultat wäre allerdings in beiden Fällen der Tod des Lebens auf der Erde, ob nun durch allmähliche Überhitzung oder durch plötzliche Explosion.
Gruss
Hartmut
Lesenswert.