Warum brennen Sterne und was passiert, wenn sie sterben?

Sterne halten lange an, aber irgendwann werden sie sterben. Die Energie, die Sterne ausmacht, einige der größten Objekte, die wir jemals untersucht haben, stammt aus der Interaktion einzelner Atome. Um die größten und mächtigsten Objekte im Universum zu verstehen, müssen wir die grundlegendsten verstehen. Dann, wenn das Leben des Sterns endet, kommen diese Grundprinzipien wieder ins Spiel, um zu beschreiben, was als nächstes mit dem Stern geschehen wird. Astronomen untersuchen verschiedene Aspekte von Sternen, um festzustellen, wie alt sie sind und welche anderen Eigenschaften sie haben. Das hilft ihnen auch, die Lebens- und Todesprozesse zu verstehen, die sie erleben.

Die Geburt eines Sterns

Es dauerte lange, bis sich die Sterne bildeten, da das im Universum treibende Gas durch die Schwerkraft zusammengezogen wurde. Dieses Gas ist größtenteils Wasserstoff, da es das grundlegendste und am häufigsten vorkommende Element im Universum ist, obwohl ein Teil des Gases möglicherweise aus anderen Elementen besteht. Genug von diesem Gas sammelt sich unter der Schwerkraft und jedes Atom zieht an allen anderen Atomen.

Diese Anziehungskraft reicht aus, um die Atome zum Zusammenprall zu bringen, was wiederum Wärme erzeugt. Während die Atome miteinander kollidieren, vibrieren sie und bewegen sich schneller (das ist schließlich, was Wärmeenergie wirklich ist: atomare Bewegung). Irgendwann werden sie so heiß und die einzelnen Atome haben so viel kinetische Energie, dass sie beim Zusammenprall mit einem anderen Atom (das auch viel kinetische Energie hat) nicht einfach voneinander abprallen.

Mit genügend Energie kollidieren die beiden Atome und der Kern dieser Atome verschmilzt. Denken Sie daran, dass dies hauptsächlich Wasserstoff ist, was bedeutet, dass jedes Atom einen Kern mit nur einem Proton enthält. Wenn diese Kerne miteinander verschmelzen (ein Prozess, der in geeigneter Weise als Kernfusion bekannt ist), weist der entstehende Kern zwei Protonen auf, was bedeutet, dass das neu erzeugte Atom Helium ist. Sterne können auch schwerere Atome wie Helium miteinander verschmelzen, um noch größere Atomkerne zu bilden. (Es wird angenommen, dass bei diesem Prozess, der als Nukleosynthese bezeichnet wird, wie viele Elemente in unserem Universum gebildet wurden.)

Das Verbrennen eines Sterns

Die Atome (oft das Element Wasserstoff) im Inneren des Sterns kollidieren also und durchlaufen einen Prozess der Kernfusion, bei dem Wärme, elektromagnetische Strahlung (einschließlich sichtbares Licht) und Energie in anderen Formen, wie beispielsweise energiereiche Partikel, erzeugt werden. Diese Periode des atomaren Brennens ist für die meisten von uns das Leben eines Sterns, und in dieser Phase sehen wir die meisten Sterne am Himmel.

Diese Wärme erzeugt einen Druck - ähnlich wie das Erhitzen von Luft in einem Ballon einen Druck auf die Oberfläche des Ballons erzeugt (grobe Analogie) - der die Atome auseinander drückt. Aber denken Sie daran, dass die Schwerkraft versucht, sie zusammenzuhalten. Schließlich erreicht der Stern ein Gleichgewicht, in dem die Anziehungskraft und der Abstoßungsdruck ausgeglichen werden, und während dieser Zeit brennt der Stern relativ stabil.

Bis der Treibstoff ausgeht.

Die Abkühlung eines Sterns

Während der Wasserstoffbrennstoff in einem Stern in Helium und in einige schwerere Elemente umgewandelt wird, wird immer mehr Wärme benötigt, um die Kernfusion auszulösen. Die Masse eines Sterns spielt eine Rolle, wie lange es dauert, den Treibstoff zu "verbrennen". Massereichere Sterne verbrauchen ihren Treibstoff schneller, da mehr Energie benötigt wird, um der größeren Gravitationskraft entgegenzuwirken. (Oder anders ausgedrückt, die größere Gravitationskraft bewirkt, dass die Atome schneller zusammenstoßen.) Während unsere Sonne wahrscheinlich etwa 5 Milliarden Jahre andauern wird, können massereichere Sterne nur 100 Millionen Jahre andauern, bevor sie verbraucht werden Treibstoff.

Wenn der Treibstoff des Sterns zur Neige geht, erzeugt der Stern weniger Wärme. Ohne die Hitze, die der Anziehungskraft entgegenwirkt, beginnt sich der Stern zusammenzuziehen.

Es ist jedoch nicht alles verloren! Denken Sie daran, dass diese Atome aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen, die Fermionen sind. Eine der Regeln, die für Fermionen gelten, ist das Pauli-Ausschlussprinzip, das besagt, dass keine zwei Fermionen den gleichen "Zustand" einnehmen können. Dies ist ein typischer Ausdruck dafür, dass es nicht mehr als eine identische Fermion am selben Ort geben kann das gleiche. (Bosonen stoßen dagegen nicht auf dieses Problem, was ein Grund dafür ist, dass photonenbasierte Laser funktionieren.)

Dies hat zur Folge, dass das Pauli-Ausschlussprinzip eine weitere leichte Abstoßungskraft zwischen Elektronen erzeugt, die dazu beitragen kann, dem Zusammenbruch eines Sterns entgegenzuwirken und ihn in einen weißen Zwerg zu verwandeln. Dies wurde 1928 vom indischen Physiker Subrahmanyan Chandrasekhar entdeckt.

Eine andere Art von Stern, der Neutronenstern, entsteht, wenn ein Stern zusammenbricht und die Abstoßung von Neutronen zu Neutronen dem Gravitationskollaps entgegenwirkt.

Es werden jedoch nicht alle Sterne zu weißen Zwergsternen oder gar Neutronensternen. Chandrasekhar erkannte, dass einige Sterne sehr unterschiedliche Schicksale haben würden.

Der Tod eines Sterns

Chandrasekhar bestimmte, dass ein Stern, der massereicher war als das 1,4-fache unserer Sonne (eine Masse, die als Chandrasekhar-Grenze bezeichnet wird), sich nicht gegen die eigene Schwerkraft abstützen und in einen weißen Zwerg zusammenbrechen würde. Sterne, die bis zu dem Dreifachen unserer Sonne reichen, würden zu Neutronensternen.

Darüber hinaus gibt es jedoch einfach zu viel Masse für den Stern, um der Anziehungskraft durch das Ausschlussprinzip entgegenzuwirken. Es ist möglich, dass der Stern, wenn er stirbt, eine Supernova durchläuft und so viel Masse in das Universum ausstößt, dass er diese Grenzen unterschreitet und zu einer dieser Arten von Sternen wird. Aber wenn nicht, was passiert dann??

Nun, in diesem Fall kollabiert die Masse unter Schwerkraft weiter, bis sich ein Schwarzes Loch bildet.

Und so nennt man den Tod eines Sterns.