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Das Universum: Heimat unzähliger Sterne

Bleibt das Weltall, wie es ist?

Nein, es dehnt sich aus. Bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts glaubten die Astronomen, dass das Weltall zwar unendlich groß und alt sei, mit Ausnahme der Eigenbewegungen der Himmelskörper aber in sich statisch.

Erst der US-Amerikaner Edwin Powell Hubble (1889–1953) konnte nachweisen, dass alle Galaxien voneinander fortstreben und zwar mit umso höherer Geschwindigkeit, je weiter sie voneinander entfernt sind. Messungen dieser Fluchtgeschwindigkeit ergaben, dass die Expansion des Universums wahrscheinlich die Folge einer gewaltigen Eruption vor rd. 14 Mrd. Jahren war. Zum Zeitpunkt dieses sog. Urknalls war die gesamte heute existierende Materie und Energie des Universums vermutlich so stark zusammengepresst, dass sie kleiner als ein heutiger Atomkern war.

Was geschah nach dem Urknall?

In den ersten Augenblicken nach dem Urknall durchlief das Weltall verschiedene Entwicklungszustände: 10-35 Sekunden nach dem Urknall, der sog. Planck-Zeit, herrschte eine heute kaum vorstellbare Temperatur von 1032 °C. Daran anschließend dehnte sich das Weltall aus, und gleichzeitig kühlte es sich ab. Während dieser Hyperinflation genannten Phase – das Weltall hatte etwa die Größe eines Fußballs – bildeten sich gleichsam aus dem Nichts Quarks und Leptonen, die ersten Elementarteilchen.

Ungefähr den Wimpernschlag von einer hunderttausendstel Sekunde später war die Materie auf 10 Billionen °C so weit abgekühlt, dass sich die Elementarteilchen zu Protonen und Neutronen sowie deren Antiteilchen zusammenschlossen. Die meisten Teilchen und Antiteilchen »zerstrahlten« sofort wieder unter Energiefreisetzung zu Quanten. Da es jedoch einen kleinen Überschuss von Teilchen gab, konnte eine geringe Anzahl von ihnen »überleben«: Diese restlichen Teilchen bildeten die Grundlage der gesamten heutigen Materie. Bereits nach einer hundertstel Sekunde, der Hadronenära, war dieser Vorgang abgeschlossen.

Wie alt sind die ersten Atome?

Eine Sekunde nach dem Urknall entstanden Elektronen. Während der folgenden drei Minuten, die Temperatur betrug 1 Mrd. °C, bildeten sich die ersten Atome: überwiegend Wasserstoff und rd. 25 % Helium. Temperatur und Dichte sanken weiterhin kontinuierlich ab. Die wild umherschießenden Elektronen wurden langsamer und konnten von den Atomkernen eingefangen werden. Die ersten neutralen Atome entstanden. Durch diesen Vorgang wurde das Universum, das bis dahin aus einem undurchdringlichen Plasma elektrisch geladener Teilchen bestanden hatte, durchsichtig. Etwa 1 Mio. Jahre nach dem Urknall endete damit die Strahlungsära. Die Temperatur betrug nun 3000 °C. Die anschließend einsetzende sog. Materie- oder Sternära ist die Phase, in der wir heute leben.

Übrigens: Unregelmäßigkeiten während des Urknalls führten dazu, dass die Materie im rasant expandierenden Weltall ungleichmäßig verteilt wurde. Unter dem Einfluss der Schwerkraft bildeten sich nach rd. 1 Mrd. Jahren die ersten Galaxien bzw. Galaxienhaufen, weitere 3 Mrd. Jahre später entstanden die ersten Sterne und schließlich die Planeten.

Hat das All Zukunft?

Ja, aber wie sie genau aussehen wird, weiß niemand. So wie die Astronomen die Vergangenheit des Universums ergründet haben, versuchen sie auch, seine Zukunft vorherzusagen.

Grundsätzlich sind aus dem heutigen Blickwinkel zwei Szenarien denkbar. Im ersten Fall gehen die Forscher davon aus, dass sich das Weltall unendlich weiter ausdehnt. Dabei wird zwar die Geschwindigkeit abnehmen, doch das ändert nichts daran, dass die Galaxien immer weiter voneinander wegstreben. Irgendwann – eine genaue Vorhersage wagt niemand – wird dann der letzte Stern erloschen und die Materie in schwarzen Löchern verschwunden sein. Übrig bliebe ein nahezu leerer Kosmos. In ihm würden sich nur noch wenige Gas- und Staubwolken befinden und lediglich eine schwache Strahlung würde an den Urknall erinnern.

Der zweite denkbare Fall wäre das Gegenteil des ersten. Die herrschende Schwerkraft wäre dann groß genug, um die Expansionskraft zu überwinden, von einer Ausdehnung des Universums wäre keine Rede mehr. Nachdem das Weltall seinen größten Durchmesser erreicht hätte, würde es sich immer weiter zusammenziehen. Die Galaxien würden sich mit immer größer werdender Geschwindigkeit einander annähern, die Sterne würden zusammenstoßen, die gesamte Materie sich aufheizen und schließlich Masse, Zeit und Raum in einem Punkt kollabieren, kurz: den Zustand einnehmen, den sie vor dem Urknall hatte. Denkbar, dass dann alles wieder von vorne beginnen würde.

Was genau sind Sterne?

Während man im volkstümlichen Sprachgebrauch alles als »Sterne« bezeichnet, was man in einer klaren Nacht als Lichtpunkte am Himmel beobachtet, sind für den Astronomen Sterne im engeren Sinn selbständig leuchtende Himmelskörper, die durch Verschmelzung von leichteren zu schwereren Atomkernen Energie erzeugen. Es handelt sich um leuchtende Gaskugeln, wie unsere Sonne, die eine große Vielfalt hinsichtlich Masse, Farbe, Temperatur und Leuchtkraft aufweisen.

Wie verbrauchen Sterne ihren Energievorrat?

Wie im »richtigen« Leben gibt es auch im Universum Energiesparer. Und wie im »richtigen« Leben finden sich im All ebenso Energieverschwender.

Die Temperatur, die Leuchtkraft, der weitere Lebensweg und die Lebenserwartung hängen entscheidend von der Masse des Sterns ab. Je massereicher, desto höher die Zentraltemperatur und desto schneller die Verwandlung von Wasserstoff in Helium. Bereits nach – kosmisch gesehen – kurzer Zeit ist z. B. der Energievorrat der Überriesen, dabei handelt es sich um extrem leuchtstarke und große Sterne, verbraucht.

Unsere Sonne ist nicht so verschwenderisch mit ihrem Energievorrat. Sie entstand vor etwa 4,5 Mrd. Jahren, und es wird mindestens ebenso lange dauern, bis der Wasserstoffvorrat in ihrem Kern verbraucht ist. Noch sparsamer sind massearme rote Zwergsterne wie der sonnennächste Fixstern Proxima Centauri. Weil sie ihre Masse so langsam in Strahlung umwandeln, werden sie wesentlich älter; Proxima Centauri wird unsere Sonne wohl um einige Milliarden Jahre überleben.

Was passiert mit massearmen Sternen?

Bei Sternen kann es passieren, dass sich gigantische Riesengebilde zu kleinen Sternen zurückbilden. Es ist die Masse, die über das Endstadium eines Sterns entscheidet.

Rote Riesen und weiße Zwerge sind Erscheinungen auf dem Existenzweg massearmer Sterne. Ist der Wasserstoffvorrat in ihrem Inneren aufgebraucht, kommt die Kernfusion zum Erliegen. Er bläht sich zum roten Riesen auf und fällt nach mehreren Millionen Jahren zu einem weißen Zwerg mit einem Durchmesser von wenigen tausend Kilometern zusammen. Nach Milliarden Jahren wird die gesamte ihm noch innewohnende Energie abgestrahlt sein, und er verlischt als schwarzer Zwerg.

Übrigens: Supernova-Ausbrüche entstehen am Ende der Entwicklung massereicher Sterne: Bei Erschöpfen aller atomaren Energiereserven fällt ein solcher Stern in sich zusammen – er wird ein Opfer seiner eigenen, extremen Schwerkraft. Bei diesem Prozess wird kurzzeitig eine enorme Menge an Energie freigesetzt, die zum charakteristischen plötzlichen Aufleuchten auf das Millionenfache der normalen Leuchtkraft führt. Dabei werden die äußeren Schichten des Sterns abgestoßen und schwere Elemente in den Raum geschleudert. Der Rest der Sternmasse kollabiert. Alles, was übrig geblieben ist, fällt zu einem extrem dichten Körper zusammen, der noch höchstens 10–20 km Durchmesser hat. Bei einem solchen Phänomen sprechen Astronomen von einem Neutronenstern.

Wussten Sie, dass …

Astronomen die unvorstellbaren Entfernungen im Weltall in astronomischen Einheiten messen? Eine astronomische Einheit (AE) entspricht etwa dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne, also 149,6 Mio. km.

ein Lichtjahr keine Zeit-, sondern eine Längeneinheit ist? Ein Lichtjahr (Lj) ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt: 9460,8 Mrd. km; pro Minute schafft das Licht also rd. 18 Mio. km, in einer Sekunde legt es 300 000 km zurück.

Was sind Quasare?

Quasare, Kurzform für quasistellare Objekte, sind sternförmige Himmelsobjekte in kosmologischen Entfernungen – sehr kompakt und äußerst leuchtintensiv.

In den Tiefen des Universums wurde in den letzten Jahrzehnten eine Reihe neuartiger Objekte entdeckt, die nicht in das bisher aufgestellte System von Galaxien passen. So gibt es Sternsysteme, die neben sichtbarem Licht besonders starke Radio- und Infrarotstrahlung aussenden. Unter diesen sog. aktiven Galaxien ragen vor allem diejenigen mit einem Quasar im Zentrum heraus. Bisherige Beobachtungen lassen den Schluss zu, dass die Leuchtkraft beim Sturz von Sternen in ein zentrales supermassives schwarzes Loch freigesetzt wird.

Kann man 2 Mio. Lichtjahre voneinander entfernt leben und doch Nachbarn sein?

Im Weltall ist das möglich. Der Andromedanebel ist eine Nachbargalaxie der Milchstraße und das einzige andere Sternensystem, das von der Erde aus mit bloßem Auge sichtbar ist. Im Herbst und im Winter kann man auf der Nordhalbkugel die Galaxie im Sternbild Andromeda als blassen Lichtfleck erkennen. Der US-amerikanische Astronom Edwin Powell Hubble entdeckte die Nachbargalaxie und berechnete ihre Entfernung von der Erde auf 2 Mio. Lichtjahre. Der sprialförmige Andromedanebel hat einen Durchmesser von 100 000 Lichtjahren. »Nur« 160 000 Lichtjahre entfernt ist die nächst gelegene Galaxie, die Große Magellan'sche Wolke, in der 1987 ein mit bloßem Auge erkennbarer Supernova-Ausbruch stattfand.

Wussten Sie, dass …

der erdnächste Fixstern, Proxima Centauri, 4,2 Lichtjahre entfernt ist? Auf den ersten Blick erscheint das wenig, dahinter verbergen sich jedoch 40 000 Mrd. km. Wir sehen den Stern also nicht, wie er »jetzt« ist, sondern wie er vor 4,2 Jahren war.

unsere Sonne annähernd 30 000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt ist?

die Masse der Milchstraße mindestens 220 Mrd. Sonnenmassen beträgt? Wenigstens 10 % machen dabei interstellares Gas und Staub aus.

Wussten Sie dass …

der erdnächste Fixstern, Proxima Centauri, 4,2 Lichtjahre entfernt ist? Auf den ersten Blick erscheint das wenig, dahinter verbergen sich jedoch 40 000 Mrd. km. Wir sehen den Stern also nicht, wie er »jetzt« ist, sondern wie er vor 4,2 Jahren war.

unsere Sonne annähernd 30 000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt ist?

die Masse der Milchstraße mindestens 220 Mrd. Sonnenmassen beträgt? Wenigstens 10 % machen dabei interstellares Gas und Staub aus.

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