In der heutigen Frage zur Astronomie geht es um Sterne. Und um eine eigentlich sehr simple Frage: Wie groß ist ein Stern?. Und: Wie groß kann ein Stern eigentlich werden?
Sterne sind ziemlich groß. Viel größer, als alles, was wir uns normalerweise vorstellen können. Auf jeden Fall viel größer als unsere Erde. Ich habe aber auch schon Leute, darunter sogar einige Lehrer, getroffen, die der Meinung waren, Sterne wären nur ein paar Kilometer groß. Es lohnt sich also, kurz darüber nachzudenken, wie groß so ein Stern tatsächlich ist.
Ein Stern muss groß sein, damit er ein Stern sein kann. Denn so ein Himmelskörper zeichnet sich ja dadurch aus, dass er in der Lage ist, selbst und für lange Zeit Energie durch Kernfusion zu produzieren. Sterne leuchten und das können sie nur, wenn sie eine bestimmte Mindestmasse haben. Damit die Wasserstoffatome, die den Hauptbestandteil der Sternmaterie ausmachen, zu Heliumatomen fusionieren und Energie produzieren können, müssen sie sich schnell genug bewegen. Sind sie zu langsam, prallen sie einfach voneinander ab und nichts passiert. Nur wenn sie ausreichend schnell sind haben sie genug “Wumms” um bei Kollisionen zu Heliumatomen fusionieren zu können.
Die Geschwindigkeit von Atomen hängt von der Temperatur ab. Je heißer es ist, desto schneller bewegen sie sich. Und um ausreichend schnell für die Kernfusion sein zu können, braucht es Temperaturen von etwa 10 Millionen Grad. Die erreicht man nicht so leicht: Selbst im Zentrum der Erde hat es “nur” knapp 5000 Grad und auch auf der Oberfläche der Sonne ist es nicht wesentlich wärmer. Die für die Kernfusion nötige Temperatur wird nur im Inneren von Sternen erreicht. Dort drücken die ganzen Gasmassen von außen auf das Zentrum und dieser Druck erzeugt die hohen Temperaturen. Man kann nun relativ leicht ausrechnen, wie viel Masse von außen auf das Zentrum drücken muss, damit es dort heiß genug für Kernfusion ist: Ungefähr das 75fache der Masse des Planeten Jupiter. Das entspricht in etwa dem 24.000fachen der Erdmasse – oder 7 Prozent der Masse der Sonne.
Eine Kugel aus Wasserstoff, die diese Masse erreicht, wird also zu einem Stern werden und beginnen zu leuchten. Aber auch nach oben hin gibt es Grenzen. Je mehr Masse ein Stern besitzt, desto heißer ist es in seinem Inneren. Und je heißer es ist, desto mehr Kernfusion findet statt und desto schneller verbraucht ein Stern sein Brennmaterial. Je heißer ein Stern ist, desto stärker ist auch der sogenannten Strahlungsdruck in seinem Inneren. Denn die Energie, die im Zentrum bei der Fusion erzeugt wird, muss ja irgendwo hin. Sie dringt nach außen und die Strahlung trifft dabei auf die Teilchen der Sternmaterie. Sie drückt also nach außen und normalerweise hält sich dieser Druck die Waage mit der Gravitationskraft der Sternmaterie, die nach innen drückt und den Stern zusammenfallen lässt. Ein normaler Stern wie unsere Sonne befindet sich im Gleichgewicht und kann diesen Zustand für Milliarden Jahre aufrecht erhalten.
Sehr massereiche Sterne aber aber brennen viel heißer. Der Strahlungsdruck ist viel stärker und bläht den Stern auf. Außerdem verbraucht er seinen Brennstoff viel schneller und solche Sterne leben nur kurz; vielleicht einige Millionen Jahre. Der Strahlungsdruck ist so stark, dass große Teile seiner äußeren Schichten ins All hinaus gerissen werden. Diese Sternwinde verkürzen die Lebensdauer eines Sterns ebenfalls.
Solche Sterne haben das 200- bis 300fache der Sonnenmasse; sind also schon deutlich schwerer als unser Stern. Irgendwann ist aber die maximale Obergrenze erreicht. So ein Stern entsteht ja aus einer großen Gaswolke, die in sich zusammenfällt und dichter wird. Ist sie dicht genug, dann zündet im Inneren die Kernfusion und der Stern beginnt zu leuchten. Bei sehr großen Sternen die aus sehr großen Gaswolken entstehen, beginnt der Fusionsprozess aber schon, wenn die Wolke noch dabei ist, zu kollabieren. Die einsetzenden starken Sternwinde reißen die übrig bleibende Materie der Wolke weg und der Stern kann nicht mehr weiterwachsen.
Ein roter Zwergstern, die gelbe Sonne, ein kleiner blauer Riesenstern und dahinter nur teilweise zu erkennen: Der schwerste bekannte Stern R136a1 (Bild: ESO/M.Kornmesser)
Die exakte Obergrenze für die Masse eines Sterns zu berechnen, ist wegen der dabei involvierten komplizierten Prozesse schwierig. Es ist auch schwierig, sehr schwere Sterne zu entdecken und zu beobachten, da sie ja nur so kurz leben. Aber die Grenze dürfte irgendwo in der Nähe der 300fachen Sonnenmasse liegen. Der bisher schwerste bekannte Stern heißt R136a1, ist 265 Mal schwerer als die Sonne, leuchtet fast 9 Millionen Mal heller als unser Stern und befindet sich knapp 160.000 Lichtjahre entfernt in der großen Magellanschen Wolke (einer Nachbargalaxie unserer eigenen Milchstraße).
Ich habe bis jetzt aber immer nur über die Masse der Sterne gesprochen und nicht über ihre Größe. Die Größe eines Sterns ist allerdings in diesem Kontext auch schwerer zu beschreiben. Sie kann sich während eines Sternenlebens dramatisch verändern: Unsere Sonne zum Beispiel hat einen Radius, der 109 Mal größer ist als der Radius der Erde. Das gilt allerdings nur jetzt. In ein paar Milliarden Jahren wird sie heißer werden (so wie es bei allen Sternen am Ende ihres Lebens der Fall ist), der Strahlungsdruck wird größer und sie beginnt sich auszudehnen. Am Ende wird sie die komplette Erdbahn ausfüllen und einen Radius von 150 Millionen Kilometer haben (jetzt sind es nur 700.000 Kilometer). Andere, schwerere Sterne können in bestimmten Phasen ihres Lebens noch heißer und damit noch größer werden.
So wie die Massen der Sterne sind auch ihre Größen schwer zu bestimmen, wenn es um die Extremwerte geht. Die größten bekannten Sterne sind ungefähr 2000 Mal größer als unsere Sonne. Aktueller Rekordhalter ist der Stern UY Scuti, der ungefähr 30 Mal schwerer als die Sonne ist, aber 1700 Mal größer. Rekordhalter könnte aber auch VV Cephei A sein, dessen Radius irgendwo zwischen dem 1000fachen und dem 1900fachen des Sonnenradius liegt.
Größenvergleich von Planeten und Sternen. UY Scuti ist hier allerdings nicht abgebildet (Bild: Dave Jarvis, CC-BY-SA 3.0)
Sterne sind verdammt groß! Unsere Sonne ist ein ziemlich gewaltiges Himmelsobjekt – aber im Vergleich mit anderen Sternen noch ein regelrechter Winzling…
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