Hinweis: Dieser Artikel ist ein Beitrag zum ScienceBlogs Blog-Schreibwettbewerb 2016. Hinweise zum Ablauf des Bewerbs und wie ihr dabei Abstimmen könnt findet ihr hier.
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Das sagt die Autorin des Artikels, Janne über sich:

Ich bin Janne, 16 Jahre alt und Schülerin der 12. Klasse an einem Gymnasium in Niedersachsen. Das ist das erste Mal, dass ich an einem solchen Wettbewerb teilnehme

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Das Hertzsprung-Russell-Diagramm

Jedes Mal, wenn ich abends in den Sternenhimmel gucke, fühle ich mich ganz klein und unbedeutend in Anbetracht der riesigen Weiten, die sich über mir befinden. Ich denke, dass es vielen Menschen ähnlich geht. Was mich allerdings manchmal stört ist die Unordnung da oben. Ich weiß, das klingt komisch, aber ich habe mich oft gefragt, ob es nicht eine Möglichkeit gibt, das Weltall irgendwie zu sortieren. Auf meiner verzweifelten Suche nach Ordnung im Sternenhimmel stolperte ich dann zufällig über das Hertzsprung-Russell-Diagramm (kurz: HRD).

Das HRD ist jetzt schon seit mehr als 100 Jahren eines der wichtigsten, wenn nicht das bedeutendste Zustandsdiagramm der stellaren Astrophysik. Es zeigt die Spektralklasse von Sternen in Abhängigkeit von ihrer absoluten Helligkeit. An der Lage des Sterns im Diagramm kann man dann erkennen, in welchem Lebensstadium er sich befindet und außerdem Rückschlüsse auf weitere Eigenschaften (z.B. die Größe) ziehen.

Das Diagramm basiert auf den Forschungen von Ejnar Hertzsprung und Henry Norris Russell, nach denen es (offensichtlich) auch benannt ist. Beide kamen unabhängig voneinander, etwa zur selben Zeit, auf die Idee, einen Zusammenhang zwischen den grundlegenden Eigenschaften von Sternen (Helligkeit, Farbe, Temperatur) herzustellen. Russell war es dann, der 1914 die Forschungsergebnisse in die Form eines Diagramms brachte.

 (Hier Bild 1 einfügen, Bildunterschrift: Hertzsprung-Russell-Diagramm, (Bild: ESO)

(Hier Bild 1 einfügen, Bildunterschrift: Hertzsprung-Russell-Diagramm, (Bild: ESO, CC BY 4.0)

Die horizontale Achse des Diagramms zeigt die Spektralklasse des Sterns. Spektralklassen sind die Klassen, in die Sterne nach den Eigenschaften ihres Lichts eingeteilt werden. Es gibt 7 Klassen: O, B, A, F, G, K, M. Ganz leicht zu merken mit dem Merksatz „Oh, Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me.“
Manche HR-Diagramme geben statt des Spektraltyps die Temperatur an. Dies ist möglich, da die Temperatur eines Sterns (oder allgemein eines Körpers) die Eigenschaften des Lichts, das er ausstrahlt beeinflusst. Je heißer ein Stern ist, desto kürzer ist die Wellenlänge maximaler Intensität des Lichts. So kommt es, dass kühlere Sterne eher rötlich scheinen und die heißeren eher blau-weißlich. Die kühlsten Sterne sind mit unter 3000 K die roten Sterne des Typs M. Die violett-weißen Sterne der Spektralklasse O werden über 30.000 K heiß.
Die vertikale Achse zeigt die absolute Helligkeit meist in logarithmischer Achseneinteilung an. Die absolute Helligkeit ist die Helligkeit, die ein Stern in einer Entfernung von 10 parsec (32,6 Lj) hätte. Sind die scheinbare Helligkeit und die Entfernung gegeben, lässt sich die absolute Helligkeit ganz leicht mit dem Entfernungsmodul berechnen.

Das ist also alles, was man braucht, um ein HRD zu erstellen: Spektralklassen und absolute Helligkeiten. Jeder Stern bildet dann einen Punkt im Diagramm. Aber wie sieht das dann aus? Das Diagramm, das dabei entsteht, zeichnet sich durch mehrere charakteristische Häufungsgebiete aus. Das Auffälligste ist die sogenannte Hauptreihe. Sie befindet sich mitten im Diagramm, zieht sich von links oben nach rechts unten. Auf ihr befinden sich die meisten Sterne. Diese befinden sich in einem relativ stabilen Lebensstadium, in dem sie ihre Energie ausschließlich durch Kernfusion, also der Fusion von Wasserstoff zu Helium, erlangen. Die Sterne befinden sich den Großteil ihres Leben in diesem Stadium. Die Länge dieses Lebens variiert mit der Größe beziehungsweise der Masse der Sterne, denn größere Sterne haben zwar viel Masse, aber die Wasserstoffvorräte sind meist sehr schnell aufgebraucht. Sobald dies der Fall ist oder die Kernfusion aus anderen Gründen nicht mehr möglich ist, geht der Stern in das nächste Lebensstadium über.

Dieses zeigt sich auch recht auffällig im HRD. Der Riesenast befindet sich oberhalb der Hauptreihe. Dort findet man sehr helle Sterne der Spektralklassen G0 bis M. Diese Sterne werden Rote Riesen genannt. Aber wie wird Hauptreihenstern zu so einem roten Riesen?
Kernfusion reduziert die Teilchenzahl im Inneren des Sterns. Aus 4 Wasserstoffatomen wird ein Heliumteilchen. Diese sind zwar schwerer, nehmen aber weniger Platz ein. Das führt dazu, dass der Kern langsam schrumpft. Dadurch steigt die Temperatur im Sterninneren und die Kernfusion wird beschleunigt. Irgendwann ist dann das Brennmaterial aufgebraucht und der Kern zieht sich aufgrund der fehlenden Energieproduktion stark zusammen. Dies führt zu einem Anstieg der Temperatur um die zentrale Heliumzone. Dadurch wird es so heiß, dass der Rest des Wasserstoffs zur Fusion gebracht wird. Um das mit Helium gefüllte Sterninnere gibt es nun eine Wasserstoffbrennende Schale. Diese Schale führt zu einem starken Temperaturabfall nach außen hin. Die Hülle des Sterns muss einen erhöhten Energieabtransport bewältigen und dadurch wird sie immer heißer und dehnt sich aus. Dieser Prozess wird so lange fortgeführt, bis ein stabiler Zustand erreicht ist. Manche Sterne verzehnfachen ihren Durchmesser währenddessen.

Wie es dann mit den roten Riesen weitergeht hängt von ihrer Masse ab. Massereiche Sterne explodieren als Supernova, masseärmere Sterne werden zu weißen Zwergen.
Weiße Zwerge kann man auch im HRD erkennen. Sie befinden sich unterhalb der Hauptreihe und haben eine sehr hohe Temperatur (Spektraltyp O, B, A), sind aber relativ leuchtschwach. Massearme Sterne erreichen dieses Endstadium nach dem Riesenstadium, sobald der Energievorrat des Riesen versiegt ist. Er stößt seine Hülle als planetarischen Nebel ab und aus dem Kern, der übrig bleibt, wird ein Weißer Zwerg, aber nur, wenn die Masse des Sterns unter der Chandrasekhar-Grenze von 1.46 Sonnenmassen liegt. Weiße Zwerge sind zudem auch recht klein, mit einem Durchmesser von ca. 10.000 km sind sie etwa so groß wie die Erde. Man darf aber nicht vergessen, dass sie etwa so schwer wie die Sonne sind. Im Inneren bestehen sie aus einem Kern, der aus einem Gemisch aus freien Elektronen und Atomkernen besteht. Um diesen Kern erstreckt sich eine 50 bis 100 Meter dicke Atmosphäre, welche hauptsächlich Wasserstoff und Helium enthält.

Das ist ja jetzt alles schön und gut, so ein Diagramm mit ganz vielen Sternen, aber wozu wird das überhaupt heute noch benutzt?
Das Hertzsprung-Russell-Diagramm findet auch heute noch Anwendung in der Astronomie. Es wird zum Beispiel zur Bestimmung von Entfernungen verwendet. Man kann auch HR-Diagramme von bestimmten Sternhaufen erstellen und dann damit deren Alter bestimmen.
Es gibt so unglaublich viele Möglichkeiten das HRD anzuwenden und im Diagramm kann man natürlich auch noch viele weitere interessante Gebiete, wie z.B. die Hertzsprung-Lücke, die Hayashi-Linie oder den Instabilitätsstreifen, entdecken. Diese alle aufzuzählen und zu erklären würde aber leider wahrscheinlich den Rahmen dieses Beitrags sprengen.

Bleibt nur noch zu sagen, dass ich nicht weiß, ob Hertzsprung und Russell wirklich die Intention hatten das Weltall zu sortieren. Ich weiß nur, dass es ihnen meiner Meinung nach sehr gut gelungen ist.

Kommentare (13)

  1. #1 Hl
    22. September 2016

    Herzlichen Glückwunsch zu diesem Beitrag. Für mich ist er sehr gelungen. Ich bin nur ein Laie, und ich habe ihn mit Freude und Interesse bis zum Ende gelesen.
    Und das ist nicht bei allen Texten der Fall.

  2. #2 Dampier
    22. September 2016

    @Janne,
    Sehr schön, präzise und gut verständlich!
    Weitermachen :))

  3. #3 bruno
    22. September 2016

    gut geschrieben und übersichtlich zusammengefasst!

    (einziges “problem” – du trittst in den direkten vergleich mit “el cheffe” … http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2010/07/21/vom-leben-und-sterben-der-sterne-das-hertzsprungrusselldiagramm/)

  4. #4 MartinB
    22. September 2016

    Sehr schön, nur einen Satz finde ich sehr missverständlich:
    “Aus 4 Wasserstoffatomen wird ein Heliumteilchen. Diese sind zwar schwerer, nehmen aber weniger Platz ein.”
    Das helium ist zwar schwerer als ein Wasserstoffatom, aber natürlich leichter als 4 Wasserstoffatome – die Differenz gibt nach E=mc² ja gerade die freiwerdende Energie.

  5. #5 Alderamin
    22. September 2016

    Respekt, man merkt die Schülerin nicht, hätte auch eine Astronomie-Studentin geschrieben haben können.

    Als kleine Nörgelei, die dem Text kaum einen Abbruch tut: nicht nur Wasserstofffusion ist Kernfusion (auch Helium- oder Kohlenstofffusion) und Riesensterne beziehen ihre Energie deswegen auch aus Kernfusion. Kernfusion heißt nicht etwa so, weil sie im Kern des Sterns stattfindet, statt wie bei Riesen in einer Schale, sondern weil Atomkerne verschmelzen (klang für mich so, als wenn Du den Begriff im ersten Sinne verwendest, vielleicht irre ich mich da aber auch).

    Aber sonst: Top, Daumen hoch!

  6. #6 Siskin
    22. September 2016

    Eine glückliche Lehrkraft, die solche Schülerinnen hat 😉

  7. #7 Ernst der Lage
    22. September 2016

    @Siskin: Vor allem mit 16 Jahren in der 12. Klasse! Als ich mein Abi gemacht habe (13. Klasse) war ich 19, immer einer der Jüngsten meines Jahrgangs und habe auch keine Klasse wiederholt! Rechne, rechne: o_O

  8. #8 Ohrenmaschinist
    Am Fuße des Wörthersees
    22. September 2016

    Galaktisch gut geschrieben, genüsslich gelesen. Gratulation!

  9. #9 Peter L
    22. September 2016

    Interessant, dass jetzt sogar 2 Schüler aus der 12. Klasse einen Beitrag eingereicht haben: Pflanzenwachstum im All

  10. #10 Yeti
    22. September 2016

    12. Klasse. 16 Jahre alt. Und dann so ein Text. Echt jetzt?
    Wow.
    Ich war zwar in diesem Schuljahr (12) und zu dieser Jahreszeit (September) auch erst 16 Jahre alt (ich habe Abi nach der 13. Klasse gemacht, da war ich erst ein halbes Jahr lang 18).

    Nächsten Monat nächstes Jahr werde ich Fuffzich, aber solche kohärenten Texte kriege ich auch heute nur selten hin. Mit 16 wäre so ein Versuch arg schief gegangen. Da hatte ich gerade die Computer-Technik entdeckt, weil unsere Schule vier Apple-II Clones angeschafft hatte. Da hatte ich ganz andere “Sprachen” im Kopf.

    Fazit: Klasse! (Dein Beitrag)

    Eine Frage zum Schluss noch:
    Wie lange dauert es – für eine offensichtlich erfahrene Schreiberin – einen solchen Beitrag zu verfassen?

  11. #11 Janne
    22. September 2016

    @Yeti: Ich hab so ungefähr 3 Tage gebraucht 😉
    Das liegt aber vielleicht auch daran, dass ich meine Facharbeit (eine 15 seitige schriftliche Arbeit in Jahrgang 11) über das Thema geschrieben habe und deshalb die Recherche schon hinter mir hatte…

  12. #12 Ursula Brosig
    Kelkheim
    23. September 2016

    Auch für mich als Laien–sehr gut verständlich!Mega-toll!

  13. #13 Imme-Verena Berty
    Bad Nauheim
    2. November 2016

    Sehr guter Beitrag! Er macht Lust, sich näher mit dem Thema zu befassen. Weiter so!