Es gibt rote Sterne und gelbe Sterne und blaue Sterne und weiße Sterne. Aber wo sind die grünen Sternen? Warum sieht man nie einen grünen Stern? Das liegt an den schwarzen Körpern. Folge 11 des Podcasts wird bunt!
(Eine Transkription des Podcasts findet sich weiter unten)
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Transkription
Sternengeschichten 11 – Grüne Sterne
Wenn wir in der Nacht zum Himmel schauen, dann sehen wir dort jede Menge Sterne. Sterne, die hauptsächlich weiß sind. Wenn wir Glück haben und es wirklich, wirklich dunkel ist, dann können wir ein paar Farben unterscheiden. Manche Sterne sind eher rötlich, manche sind gelb, manche leuchten blau-weißlich. Mit einem Teleskop können wir noch mehr Licht sammeln und sehen die Farben der Sterne viel deutlicher. Hier sind sie tatsächlich gelb, rot, weiß oder blau. Aber kein einziger Stern ist grün! Warum gibt es keine grünen Sterne?
Sterne sind bunt. Aber nicht grün! (Bild: Blackerking, CC-BY-SA 3.0)
Um das zu beantworten betrachten wir am besten einen schwarzen Körper. Und nein, damit sind keine Dinge gemeint, die einfach nur schwarz sind. “Schwarzer Körper” oder “Schwarzer Strahler” ist ein physikalischer Fachausdruck. Man bezeichnet damit ein idealisiertes Objekt, das jegliche Strahlung, die auf ihn trifft, komplett absorbiert. Das heißt, nichts wird reflektiert und nichts geht durch. Alle Strahlung die von diese Körper ausgeht, stammt von ihm selbst.
Mit “Strahlung” ist hier immer die elektromagnetische Strahlung gemeint. Das sind die verschiedenen Arten von “Licht”, die existieren. Im Detail zu erklären was Licht eigentlich ist, ist ein wenig knifflig. Aber ganz simpel gesagt, besteht Licht aus schwingenden elektrischen und magnetischen Feldern. Um welche Art des Lichts es sich handelt, hängt von der Frequenz ab, mit der die Felder schwingen. Das Licht, das wir mit unseren Augen sehen können, schwingt zwischen 400 und 800 Billionen Mal pro Sekunde. Rotes Licht steht dabei an einem Ende und schwingt langsamer als das blaue Licht am anderen Ende des sichtbaren Spektrums. Aber Licht kann natürlich auch noch langsamer oder noch schneller schwingen. Dann allerdings können wir es nicht mehr mit den Augen sehen – es existiert aber trotzdem. Hinter dem roten Licht liegt zum Beispiel der infrarote Bereich. Infrarotstrahlung ist nichts anderes als Wärme und die ist nichts anderes als Licht, das wir nicht sehen können. Gleiches gilt für die Mikrowellen- und Radiostrahlung, die noch langsamer schwingt als das infrarote Licht. Auf der anderen Seite folgt dem blauen Licht die unsichtbare UV- oder Ultraviolett-Strahlung. Noch schneller schwingen Röntgen- und Gammastrahlen. Aber egal ob Radiowellen oder Röntgenstrahlen: alles ist im Prinzip das gleiche wie das normale Licht, das wir mit unseren Augen sehen können. Und die gesamt dieses Lichts nennt man elektromagnetische Strahlung und um die geht es beim schwarzen Körper.
Man kann sich nun überlegen, wie die Strahlung aussieht die ein Körper abgibt. Das hat der deutsche Physiker Gustav Kirchhoff im Jahr 1859 getan und eine Formel entwickelt, die man heute das “Kirchhoffsche Strahlungsgesetz” nennt. Es besagt im wesentlichen, dass die Menge an Strahlung die ein Körper abgibt und die Menge, die er aufnimmt, zusammenhängen. Je mehr Strahlung ein Körper aufnehmen kann, desto mehr kann er auch abgeben. Ein Spiegel zum Beispiel reflektiert sehr viel von der elektromagnetischen Strahlung, die auf ihn trifft. Deshalb gibt er selbst auch wenig ab – und seine Oberfläche ist kühl.
Ein schwarzer Körper hat aber laut Definition das maximale Absorptionsvermögen. Er absorbiert ALLES was auf ihn trifft. Also ist auch sein Emissionsvermögen maximal. In jedem Bereich des elektromagnetischen Spektrums strahlt er die maximal mögliche Menge an Energie ab. Und diese maximal mögliche Menge wird allein von seiner Temperatur bestimmt. Es war allerdings lange Zeit schwierig, genau auszurechnen, wie viel Strahlung in einem bestimmten Bereich des elektromagnetischen Spektrums abgegeben wird. Die Ergebnisse waren absurd; laut den Berechnungen sollte ein schwarzer Körper im ultravioletten Bereich unendlich viel Energie abstrahlen und das konnte ja offensichtlich nicht stimmen. Es hat ein wenig gedauert, bis man die Lösung fand. Im Jahr 1900 hat sich der deutsche Physiker Max Planck mit dem Problem beschäftigt.
Und er hatte eine genialen Einfall. Bis dahin dachte man immer, die Strahlung würde von einem Körper so abgegeben wie Wasser aus einem Gartenschlauch fließt. Der schwarze Körper sollte als einen stetigen Strom an Strahlung aussenden. Planck hat sich dann überlegt, ob das wirklich so sein muss. Das Wasser könnte ja auch Tropfen für Tropfen aus dem Schlauch kommen – vielleicht wird auch die Energie bei einem schwarzen Körper nicht kontinuierlich abgestrahlt, sondern Stück für Stück, in kleinen Energiepaketen. Mit diesem Ansatz konnte Planck endlich einen schwarzen Körper vernünftig beschreiben, ohne absurde Ergebnisse zu bekommen. Die kleinen Energiepakete nannte er “Quanten” und seine Arbeit war der Grundstein der erfolgreichsten wissenschaftlichen Theorie aller Zeiten: Die Quantenmechanik
Wir bleiben aber bei den schwarzen Körpern. Wie viel Strahlung sie abgeben hängt also nur von ihrer Temperatur ab und dank Max Planck und seinen Quanten kann man nun auch genau beschreiben, wie das passiert. Für jede Temperatur existiert ein ganz bestimmter Bereich des elektromagnetischen Spektrums, wo am meisten Energie abgegeben wird. Dieses Maximum bestimmt auch die Farbe des Körpers. Man kennt das vielleicht vom Grillen im Sommer. Ist die Grillkohle am Anfang noch kühl, glüht sie rötlich. Wenn sie dann aber so richtig heiß ist, wird sie weiß. So ähnlich ist es auch mit den schwarzen Körpern. Relativ kühle Objekte haben das Maximum ihrer Abstrahlung im roten oder infraroten Bereich. Die wirklich heißen Objekte haben ihr Maximum im ultravioletten Bereich.
Was hat das ganze Gerede von schwarzen Körpern mit grünen Sternen zu tun? Ich habe vorhin gesagt, das ein schwarzer Körper ein “idealisiertes Objekt” ist. In der Realität gibt es keine perfekten schwarzen Körper. Aber Sterne kommen einem schwarzen Körper recht nahe. Die Energie die sie abstrahlen wird tatsächlich fast ausschließlich von ihrer Temperatur bestimmt. Die Farbe der Sterne sagt uns also etwas über ihre Temperatur. Oder umgekehrt: Die Temperatur sagt uns etwas über ihre Farbe.
Betrachten wir einen kleinen Stern. Einen Stern, der vielleicht nur ein Viertel so viel wiegt wie unsere Sonne. So ein Stern ist nicht schwer genug um in seinem Kern sehr hohe Temperaturen zu erzeugen. Die Kernfusion läuft also recht langsam ab und der Stern selbst ist recht kühl. Der Bereich in dem er seine Strahlung abgibt, liegt im roten Teil des elektromagnetischen Spektrum. Natürlich gibt er auch Strahlung in den anderen Bereichen ab. Da der rote Teil aber für unsere Augen am Ende des sichtbaren Spektrums liegt, können wir nicht alles davon sehen. Auf der einen Seite des Maximums ist der Infrarote Bereich; den können wir nicht sehen. Auf der anderen Seite liegt der gelbe und grüne Teil des Spektrums. Das können wir sehen. Die Farbe des Sterns ist eine Mischung aus allen sichtbaren Farbanteilen und weil da hauptsächlich rot und gelb drin steckt, sind die kleinen, kühlen Sterne eben rot beziehungsweise orange.
Schauen wir uns jetzt die richtig großen Sterne an. Weil sie so groß sind, sind sie auch ordentlich heiß. Sie geben das meiste Licht am anderen Ende des sichtbaren Spektrums ab, im blauen Bereich. Jetzt passiert das gleiche wie vorhin, nur umgekehrt. Wieder können wir die Hälfte des Lichts das vom Stern ausgeht, nicht sehen. Alles was im ultravioletten Bereich und dahinter liegt, ist für uns unsichtbar. Wir sehen nur wieder die Mischung aus dem blauen Licht und den violetten bzw. grünen Anteilen. Insgesamt sehen wir also blaue Sterne.
Und wo sind die grünen Sterne? Die kann es nicht geben, denn grün liegt im Spektrum genau in der Mitte zwischen rot und blau. Ein Stern mit einer Oberflächentemperatur von ungefähr 6000 Grad strahlt zwar tatsächlich die meiste Energie im grünen Bereich ab. Weil er damit aber genau in der Mitte des sichtbaren Spektrums liegt, sehen wir auch das Licht, das er sonst noch abstrahlt. Wir sehen den roten Anteil, den gelben, den violetten und den blauen. Wir sehen eine Mischung aus dem gesamten Licht und am Ende ergibt das kein Grün, sondern eher ein gelbliches weiß. Das es kein reines weiß ist, liegt daran, dass die Abstrahlung nicht komplett symmetrisch verlauft. Der Stern strahlt mehr gelbes Licht und rotes Licht ab als violettes und blaues.
Unsere Sonne ist genau so ein Stern. Sie hat ungefähr eine Temperatur von 6000 Grad. Sie strahlt tatsächlich das Maximum ihrer Energie im grünen Bereich des elektromagentischen Spektrums ab. Weil wir aber bei ihr auch die anderen Anteile sehen können, erscheint sie uns weiß-gelblich. Weil unsere Augen so aufgebaut sind, wie sie aufgebaut sind und wir nur vom roten bis zum blauen Teil des Spektrums sehen können, wird es für uns auch nur rote, blaue, gelbe, orange und weiße Sterne geben. Einen grünen Stern werden wir nie sehen können.
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