Schwarze Löcher E-Book

Cornelia Faustmann

• Herausgeber: neobooks
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 202

Veröffentlichungsjahr: 2023

Beschreibung

Schon seit 1783 spekuliert die Forschung über "dunkle Sterne", deren Gravitation ausreicht, um Licht gefangen zu halten. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden sie nach Größe und Verhalten beschrieben. Eine direkte Beobachtung dieser Objekte gilt nach wie vor als praktisch unmöglich. Ihr heutiger Name, "Schwarze Löcher", weist darauf hin, dass nichts von außen aus gesehen in endlicher Zeit aus ihrer inneren Region austreten kann. Oder etwa doch? Ausgehend von ihrer mehrfach prämierten Arbeit, die sie bereits als 17-jährige Schülerin verfasste, nähert sich die junge Wissenschaftlerin Cornelia Faustmann aus dem Blickwinkel neuester Forschungsergebnisse diesen wohl rätselhaftesten Phänomen des Weltalls. Sie schildert Entstehung, Eigenschaften, Kollisionen von Schwarzen Löchern sowie viel Erstaunliches mehr und scheut auch nicht vor spekulativen Fragen zurück: Was würde wohl bei einem Sturz in ein Schwarzes Loch passieren? Und könnte man durch einen "kosmischen Tunnel" – ein so genanntes "Wurmloch – reisen?

Leseprobe

SCHWARZE LÖCHER –

DIE MYSTERIÖSEN HIMMELSKÖRPER

von

Cornelia Faustmann

Impressum

© 2023 Mag. Mag. Dr. Cornelia Faustmann / Kaisersteingasse 6, 2700 Wr. Neustadt

Alle Rechte vorbehalten.

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Walter Thirring gewidmet –

als Dankeschön für die vielen konstruktiven Gespräche, die gute Zusammenarbeit und die Erweiterung meines „wissenschaftlichen Ereignishorizonts“.

Vorwort

von Walter Thirring

Zwei Instabilitäten waren wohl die beachtlichsten naturwissenschaftlichen Entdeckungen des 20. Jahrhunderts: Im ganz Kleinen, dass zu dicke Atomkerne zerplatzen, und im ganz Großen, dass zu schwere Sterne unter ihrer eigenen Last zusammenbrechen. In beiden Fällen waren die großen Gelehrten mit Blindheit geschlagen und wollten die Wahrheit nicht wahrhaben.

Schon vier Jahre vor der Verkündung der Kernspaltung durch Hahn und Strassmann hatte Ida Noddack betont, Fermi konnte nicht ausschließen, dass beim Beschuss von Uran mit Neutronen der Urankern in etwa zwei gleiche Teile zerplatzt. Ihre Arbeit war ganz klar geschrieben und wurde dennoch ignoriert. Vielleicht weil sie eine Frau war, vielleicht weil sie Chemikerin war, vielleicht weil sie angeblich eine Nazi war? Und auch als die Spaltprodukte identifiziert waren, kam die richtige Deutung nicht von den großen Kernphysikern wie Bohr, Fermi, Heisenberg, sondern von Otto Frisch und seiner Tante Liese Meitner. Ersterer hat dann auch gezeigt, dass es ganz leicht ist, die Spaltung direkt physikalisch nachzuweisen. Jedenfalls haben die vier Jahre Blindheit der Physiker die Bahn der Weltgeschichte bestimmt.

Beim Gravitationskollaps war es noch krasser, die Blindheit währte drei Jahrzehnte. Um ihn aus den Naturgesetzen vorherzusagen, braucht man die Quantentheorie, die Quantenstatistik, die Spezielle Relativitätstheorie und die Allgemeine Relativitätstheorie. Am Anfang wurde schnell gearbeitet. Die Quantentheorie kam 1926, noch im selben Jahr die Fermistatistik und noch im selben Jahr erkannte R. Fowler, dass ein erkalteter Stern ein Riesenmolekül sei, das man mit der Quantenmechanik behandeln müsse. Schon 1928 erwähnte I. Frenkel, dass es dann bei der relativistischen Behandlung der Elektronen eine kritische Masse gab, jenseits der die Energie nach -∞ abstürzte. Dies wurde dann oft wiederentdeckt und verfeinert – am besten 1930 in England von dem Inder S. Chandrasekhar. Aber A. Eddington weigerte sich, dies wahr zu haben und auferlegte sogar bei einer internationalen Konferenz Chandrasekhar Redeverbot. Auch sonst wollte niemand etwas davon wissen, Chandrasekhar musste nach Chicago auswandern. 1938 identifizierten Gamov und Schönberg die Neutrinos als die Agenten, welche die gewaltigen Energien, die bei einem Gravitationskollaps entstehen, abtransportieren. Damit war die Theorie der Supernova (Gravitationskollaps) vollständig, aber niemand glaubte sie.

Noch 1955 schlug bei einer Konferenz über Relativitätstheorie kein geringerer als Hermann Bondi vor, die Naturgesetze müssten eine solche Form haben, dass dieser Irrsinn von vornherein ausgeschlossen ist. Die psychologische Schwierigkeit dürfte gewesen sein, dass wir in der Schule die Erhaltung der Masse als eines der Grundprinzipien der Physik eingetrichtert bekamen. Und da sollte nun die Masse eines ganzen Sterns im Handumdrehen im Jenseits landen? Da hatte doch die Aufklärung über ein Jahrhundert gearbeitet, um den Zorn Gottes als Agens im Kosmos zu entfernen und dann so etwas! Das darf nie und nimmer wahr sein. Doch dann zeigten die Pulsare unausweichlich, dass bei einem Kollaps ein ganz kleines Objekt entsteht, der erste Stolperstein war beseitigt.

In diesem Buch findet man den langen Weg zu den Schwarzen Löchern: wie Möglichkeit zur Gewissheit, wie aus einem Kandidaten viele werden, bis es heute im Zentrum der Milchstrasse nur so von Millionen von Schwarzen Löchern wimmelt. Nicht nur die Zeit, sondern auch der Zeitgeist hat sich geändert: Was früher nur mit Entsetzen und Abscheu erwähnt wurde, war für die zehnjährige Cornelia eine bessere Würze als der übliche Science Fiction Eintopf. Seither möchte sie das immer besser verstehen und weiter enträtseln. Was sie dabei alles zusammengetragen hat, zeigt dieses Buch. Ich hoffe, es gelingt ihr, auf diese Weise ihre Begeisterung für die Wunder des Kosmos weiteren Kreisen zu vermitteln, zumal sie um Leserfreundlichkeit bemüht ist. Nicht nur gibt es viele Illustrationen, sondern auch überall die Internet-Zitate, sodass sich jede und jeder herausgooglen kann, was sie bzw. ihn gerade interessiert.

Der Zeitpunkt ist gut gewählt. Die Leserin / der Leser wird aus der Zeittafel entnehmen, wie unsere Hochtechnologie bei den astronomischen Beobachtungen zu greifen beginnt, und wie man heute Dinge sieht, von denen man früher nur träumen konnte. So wurde etwa ein schwarzes Loch in flagranti ertappt, wie es einen anderen Stern verspeist. Das Buch zeigt auch sehr gut, wie man hier bald an die Grenzen unserer heutigen Wissenschaft stößt. Über das Jenseits, in welches das Schwarze Loch die Materie befördert, wissen wir gar nichts. Natürlich gibt es viele Spekulationen, denn dies ist das Gebiet der noch nicht existierenden Quantengravitation. Sie sind der Autorin nicht fremd, aber sie lässt die gebührende Vorsicht walten, wenn sie in den Text eingestreut werden.

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Die „Vorgeschichte“ – Entstehung und Entwicklung von Sternen

Wie lebt es sich als Stern?

Vorraussetzungen für die Sternentstehung

Von der Gaswolke zum Protostern

Vorhauptreihensterne

Das Hauptreihenstadium

Das Heliumbrennen

Späte Phasen in der Entwicklung massereicher Sterne

Endstadien in der Sternentwicklung

Weiße Zwerge

Neutronensterne

Schwarze Löcher

Der Materiekreislauf

Schwarze Löcher

Was kann ein Schwarzes Loch erleben?

Die Forschungsgeschichte

Die Vorraussetzungen

Michells und Laplaces dunkle Sterne

Schwarzschild und die erste exakte Lösung der Einstein’schen Feldgleichungen

Chandrasekhars Erkenntnisse

Oppenheimers relativistische Erklärung

Kerrs Lösung der Einstein’schen Feldgleichungen

Wheeler und die Terminologie

Hawking und die Thermodynamik Schwarzer Löcher

Das galaktische Zentrum

Schwarze Löcher im Labor

Die aktuellsten Erkenntnisse

Alternativen zu den Schwarzen Löchern

Eigenschaften Schwarzer Löcher

Schwarzschild-Radius und Ereignishorizont

Die Singularität

Die Akkretionsscheibe

Materiejets

Rotierende Schwarze Löcher

Die Bedeutung der Thermodynamik

Die „Hawking-Strahlung“

Die Verdampfung und das Ende Schwarzer Löcher

Der Nachweis Schwarzer Löcher

Verschiedene Typen von Schwarzen Löchern

Häufigkeiten Schwarzer Löcher

Kollisionen Schwarzer Löcher

Die Simulation am Supercomputer

Die Emission von Gravitationswellen

Das Zwei-Körper-Problem

Das Problem der Singularitäten

Fortschritte bei den Computersimulationen

Brillwellen

Erklärung der Schwarzen Löcher durch die Relativitätstheorie

Grundlagen der Relativitätstheorie

Anwendungen der Allgemeinen Relativitätstheorie auf Schwarze Löcher

Science & Fiction bei Schwarzen Löchern

Was passiert, wenn jemand in ein Schwarzes Loch fällt?

Der hypothetische Sturz in ein Schwarzes Loch

Gravitation, Raum und Zeit

Die kosmische Zensur

Beobachtungen von zwei verschiedenen Standpunkten

Wurmlöcher und Zeitreisen

Das Konzept der Wurmlöcher

Mögliche Szenarien für die Reise durch ein Wurmloch

Zeitreisen

Weiße Löcher

Abschließende Bemerkungen

Zeittafel

Glossar

Literaturverzeichnis

Tabelle der Formelzeichen und Konstanten

Einleitung

Unser Weg war das Ziel, er hat uns an vielen Wundern der Natur vorbeigeführt und uns das Staunen über den aufs Feinste abgestimmten Bauplan des Universums gelehrt.

(Walter Thirring, Kosmische Impressionen, 196.)

Auf wen üben die Schwarzen Löcher, diese wohl rätselhaftesten Objekte unseres Weltalls, keine Anziehungskraft aus? So war auch ich bereits in frühester Kindheit fasziniert, als mir diese „exotischen kosmischen Phänomene“ in Science-Fiction-Filmen und -Büchern begegneten. Als 10-jähriges Mädchen hatte ich schließlich eine solche Neugier entwickelt, dass ich wissen wollte, ob es diese „vernichtenden Todesstrudel“ bzw. „kosmischen Staubsauger“ und „Wurmlöcher“ der Science-Fiction auch in Wirklichkeit geben könnte. Dies war der Ausgangspunkt meiner näheren Beschäftigung mit den Schwarzen Löchern. Förderlich zur Stillung meines Wissensdurstes waren Bücher über Astronomie und Astrophysik, die ich von meinen Eltern geschenkt bekam, und auch Artikel in Fachzeitschriften, in welche ich mein Taschengeld anlegte. So vertiefte ich meine Kenntnisse über die Schwarzen Löcher und daher stellte sich für mich schließlich auch keine Frage, welches Gebiet ich für meine Reifeprüfung aus Physik wählen sollte – es war klar, dass ich über die Schwarzen Löcher schreiben wollte. Glücklicherweise nahm meine Physiklehrerin dieses Thema sogleich an und ich stürzte mich eifrig in die Arbeit. Da mein Manuskript bald auf einen Umfang von 50 Seiten angewachsen war, wurde aus dem ursprünglich geplanten Spezialgebiet über Schwarze Löcher eine Fachbereichsarbeit zum Thema „Entstehung und Eigenschaften Schwarzer Löcher“. Und auf dieser Arbeit, die ich als 17-jährige Schülerin verfasste, beruht das vorliegende Buch.

Um das Manuskript auf einen aktuellen Stand zu bringen und auch die jüngsten Forschungsergebnisse miteinzubeziehen, habe ich natürlich zusätzliche Informationen in die Arbeit eingefügt. Außerdem waren teilweise Umstrukturierungen und Modifikationen des Manuskripts – zwecks einer umfassend verständlichen Gestaltung sowie Erklärung – nötig, sodass dieses Buch doch etwas mehr als ursprünglich geplant von der Ausgangsversion der Fachbereichsarbeit differiert. Bei diesen Umgestaltungen des Manuskripts spielte nicht nur der Aspekt eine Rolle, dass in Zusammenhang mit Schwarzen Löchern viele neue Forschungsergebnisse publiziert wurden, sondern auch meine höheren Ansprüche sowie mein Ehrgeiz, eine allgemein verständliche Sammlung des aktuellen Wissensstandes über Schwarze Löcher und mit diesen zusammenhängende Phänomene der Astrophysik zusammenzustellen. Daher war an der einen oder anderen Stelle das Einfügen ausführlicherer Erklärungen erforderlich und die Formeln wurden in Kästchen geschoben, um den Lesefluss derjenigen Leser nicht zu stören, die etwas „ungeübter“ im Umgang mit Formeln sind oder sich nicht in aller Ausführlichkeit mit diesen befassen wollen. Um einen umfassenden Überblick über die Erforschung der Schwarzen Löcher vom Beginn der Überlegungen im Zusammenhang mit diesen Phänomenen bis heute zu geben, habe ich vor allem das historische Kapitel bedeutend ausführlicher als in meiner Fachbereichsarbeit gestaltet. Auch beim letzten Teil, welcher „Science & Fiction“ in Zusammenhang mit Schwarzen Löchern behandelt, habe ich umfangreichere Ergänzungen vorgenommen – und zwar aus dem Grunde, weil gerade dieser Aspekt bei der Öffentlichkeit auf große Resonanz stößt: Es gibt wohl kaum jemanden, dem Schwarze Löcher nicht in der Science-Fiction-Literatur oder in Science-Fiction-Filmen bzw. –Fernsehserien begegnet sind. Und da hierbei Raumschiffe häufig in Schwarze Löcher bzw. durch Wurmlöcher fliegen, liegt die Frage auf der Hand, ob solche Szenarien auch in der realen Welt möglich sein könnten und was bei einem möglichen Sturz in ein Schwarzes Loch nach den Erkenntnissen der modernen Wissenschaft passieren würde. Trotz dieser Ergänzungen und Modifikationen ist der Charakter und Aufbau meiner Fachbereichsarbeit durchaus erhalten geblieben, weshalb auch – zwecks Nachvollziehbarkeit der Quellen – nicht mit Fußnoten gespart wird und dieses Buch keinen Anspruch darauf erhebt, neuartige Informationen auf eine noch nie dagewesene Weise zu präsentieren.

Zur „Einstimmung“ auf die jeweilige Thematik der Teile dieses Buches wird zu Beginn jedes Hauptteils eine prägnante Themenangabe in Form eines Limericks gemacht. Zwecks einer etwas ausführlicheren Orientierung folgt gleich im Anschluss darauf ein „wissenschaftliches Märchen“: Aus der Sichtweise des Himmelskörpers Blacky, der sich zu einem Schwarzen Loch entwickelt, werden in erzählender Weise die Phänomene vorweggenommen, von welchen der folgende Teil des Buches handelt. Die Lektüre der wissenschaftlichen Märchen ist für das Verständnis der folgenden Informationen nicht erforderlich und kann daher von Lesern / Leserinnen, die wissenschaftliche Märchen nicht befürworten, ausgelassen werden. Anzuraten ist dies jedoch nicht, denn die Episoden in Blackys Leben stellen eine Zusammenfassung der im Folgenden behandelten Phänomene dar und sollen auf spielerische Weise einen Ausblick auf diese bieten sowie dadurch die weitere Lektüre vereinfachen.

Als Voraussetzung für die Entwicklung eines Himmelskörpers zu einem Schwarzen Loch behandelt der erste Hauptteil dieses Buches die Entstehung und Entwicklung von Sternen. Auch wenn diese Thematik nicht unmittelbar mit Schwarzen Löchern zu tun hat, ist es wichtig, zu erfahren, dass Schwarze Löcher keine Objekte im Kosmos darstellen, die einfach existieren, sondern dass auch diese entstehen müssen. In diesem Teil werden auch die Entwicklungswege von einer Gaswolke bis zu den Endstadien der Sterne beschrieben, weil das Verständnis gewisser Phänomene bei der Entstehung und Entwicklung von Sternen (wie etwa die Fluchtgeschwindigkeit, die Nukleosynthese oder das Stadium der Neutronensterne) für das Verständnis der Entstehung Schwarzer Löcher erforderlich ist. Außerdem soll hiermit ein Einblick in den Aspekt gegeben werden, welche komplexen Vorgänge bei der Sternentwicklung ablaufen, und schließlich werden einige der in diesem Kapitel erwähnten Phänomene bzw. Fachbegriffe auch an späteren Stellen in diesem Buch eine Rolle spielen.

Der zweite Hauptteil ist den Schwarzen Löchern gewidmet, wobei zunächst ein umfassender Überblick über die Forschungsgeschichte gegeben wird. Es wird hier auf die ersten Spekulationen im 18. Jahrhundert, auf mögliche Alternativen zu den Schwarzen Löchern und schließlich auf die aktuellsten Erkenntnisse eingegangen, wobei auch die jüngste Forschungsgeschichte behandelt wird. Weiters sind in diesem Kapitel Informationen über den Aufbau sowie die Eigenschaften Schwarzer Löcher enthalten. Außerdem wird auf die Modellierung von Kollisionen Schwarzer Löcher mittels Computersimulationen und eine Erklärung der Schwarzen Löcher durch die Relativitätstheorie eingegangen.

Schließlich befasst sich der letzte Teil mit hypothetischen und teilweise utopischen Aspekten, so wird der Frage nachgegangen, was ein wagemutiger Astronaut beim Sturz in ein Schwarzes Loch erleben und welche Phänomene ein weiter entfernter Beobachter bei diesem Vorgang sehen würde. Weiters wird das Konzept der kosmischen Tunnel, der Wurmlöcher, durch die schnellere und somit bequemere Weltraumreisen möglich wären, näher erläutert, wobei auch nicht unerwähnt bleibt, dass diese kosmischen Tunnel eine theoretische Möglichkeit für Zeitreisen zuließen. Da die Betrachtungen in diesem Kapitel größtenteils einen hypothetischen Charakter haben und sich beispielsweise Reisen durch Wurmlöcher und durch die Zeit mit unseren Möglichkeiten scheinbar nicht realisieren lassen, aber in utopischer Literatur und Filmen allgegenwärtig sind, wird hier auch ein Bezug zur Science Fiction hergestellt.

Im Anhang befindet sich zwecks eines chronologischen Überblicks eine Zeittafel, in welcher die bedeutendsten Schritte bezüglich des Verständnisses der Schwarzen Löcher aufgelistet sind. Außerdem können die wichtigsten Fachbegriffe und die Formelzeichen in einem Glossar bzw. einer Formeltabelle zum Schluss nachgeschlagen werden.

Ich hoffe, mit diesem Buch ein allgemein verständliches Kompendium des aktuellen Wissensstandes über Schwarze Löcher geschaffen zu haben, an dem möglichst viele LeserInnen Freude haben werden. Aber nun kann der Lektüre nichts mehr im Wege stehen – finden Sie heraus, was es mit den Schwarzen Löchern, diesen rätselhaften Phänomenen im Weltall tatsächlich auf sich hat – ob es diese Objekte wirklich gibt, wieso sie keine Haare, oder vielleicht doch welche haben, welche Auswirkungen ihre Gravitation hat und vieles mehr.

Die „Vorgeschichte“ – Entstehung und Entwicklung von Sternen

Wie lebt es sich als Stern?

In Riesenmolekülwolken entstehen die Sterne,

solche Ereignisse sehen die Astronomen gerne,

doch auch das Leben dieser Himmelskörper als Sonnen

und deren Tod beobachten die Astronomen mit Wonnen,

aber dazu müssen sie blicken in etwas größere Ferne.

Vor langer Zeit lebten in einem weit entfernten Land drei Schwestern – also eigentlich nicht in einem weit entfernten Land, sondern besser gesagt in einem weit entfernten Gebiet des Weltalls. Die drei Schwestern waren alle etwa gleich groß, nämlich ungefähr 300 Lichtjahre. Da sie ja verwandt waren, hatten sie auch das gleiche „genetische Material“ – sie bestanden zum Großteil aus Wasserstoff, außerdem waren noch Helium und schwerere Elemente wie Lithium oder Uran spurenweise vorhanden.

Eines Tages bemerkten die drei Schwestern, dass bei anderen Wasserstoffwolken – ihren Cousinen – eigenartige Veränderungen vorgingen. Diese begannen nämlich auf einmal, sich zusammenzuziehen. Zunächst waren die drei Schwestern sehr verwundert über diesen Vorgang, aber bald sollte sie selbst auch ein derartiges Schicksal ereilen. Nachdem ein Stern, der sich nahe bei einer der drei Schwestern befunden hatte, sein Leben mit einer gewaltigen Explosion – einer Supernova – beendet hatte, spürte eine von den Schwestern eine Kraft, die zu einer Änderung in ihrer Struktur führte. Durch diese Kraft, die Gravitation hieß, begann auch diese Schwester – wie schon vorher ihre Cousinen –, sich zusammenzuziehen. Anfangs hatte sie große Angst, sie wusste nämlich nicht, was mit ihr passierte. Nach einiger Zeit beruhigte sie sich aber glücklicherweise wieder, denn sie bemerkte, dass in ihren Schwestern der gleiche Prozess erfolgte. Und daher dachte sie, das hätte so schon seine Ordnung.

Als der Vorgang des Zusammenziehens so vor sich ging, fühlte die Schwester, dass sich ihre Struktur in einzelne kleinere Bereiche gliederte. Diese Bereiche zogen sich nun weiter zusammen und wurden zu dichten Klumpen. Doch schließlich kam die rettende Kraft, die für das Ende dieses Zusammenziehens und für Stabilität sorgte – dies waren die Prozesse der Nukleosynthese. Aus der Schwester waren also einige feste, leuchtende Objekte entstanden, die man Sterne oder Sonnen nannte. Diese Sterne waren verschieden schwer und groß, aber das hatte vorerst noch keine Auswirkungen auf ihr Dasein. Sie lebten für eine lange Zeit ruhig dahin und strahlten gleichmäßig ihr Licht in das Weltall ab. So funkelte der massearme Stern Dwarfo glücklich und bescheiden dahin, während sein jüngerer und um einiges massereicherer Bruder Blacky ehrgeiziger war. Blacky wollte nämlich am hellsten von allen leuchten und strengte sich sehr an, dies auch zu erreichen.

Eines Tages war es so weit: In den Sternen ging der Brennstoff zur Neige, weshalb die Stabilität wieder dahin war und es neuerlich zu einem Zusammenziehen kam. Aber dies endete bald, als ein neuer Nukleosyntheseprozess begann. In der nächsten Phase, als dieser Brennstoff auch ausging, verlief es allerdings nicht mehr so glimpflich für die Sterne. Je nachdem, wie schwer die Sterne waren, entwickelten sie sich verschieden weiter. Der massearme und bescheidene Dwarfo hatte Glück, denn er kam zu einem friedlichen Ende. Er sprengte seine Hülle ab und blieb als Weißer Zwerg im „Friedhof“ der Sterne im Weltall zurück. Bei Neutra und Blacky, den um einiges jüngeren, aber massereicheren Geschwistern von Dwarfo, verlief der Übergang in ihr Endstadium jedoch nicht so ruhig. Bei diesen beiden erfolgte nämlich eine große Supernova-Explosion. Neutra kam dabei noch glimpflicher davon als Blacky, und zwar deswegen, weil Neutra nicht gar so ehrgeizig leuchten gewollt hatte wie Blacky und weil er außerdem weniger Masse als Blacky hatte. Nach der Supernova-Explosion blieb von Neutras Substanz ein so genannter Neutronenstern im Weltall zurück, der sich schnell um seine eigene Achse drehte. Bei Blacky konnte nach der Supernova-Explosion nichts den weiteren Kollaps des Sternkörpers aufhalten. Die Gravitationskraft war so groß, dass Blacky immer weiter und weiter in sich zusammenfiel. Blacky konnte sich nicht erklären, was mit ihm da passierte, aber er konnte nichts gegen diese Entwicklung unternehmen. Blacky wurde also nun zu einem so genannten Schwarzen Loch – und dieses Entwicklungsstadium von Blacky wird uns später noch näher interessieren. Zuerst wollen wir uns aber die Entwicklung der Wasserstoffwolken-Schwestern etwas genauer ansehen.

Vorraussetzungen für die Sternentstehung

Seit einigen MilliardenJahren findet der Prozess der Sternentstehung im Universum statt, und er wird auch heute noch1 in Sternentstehungsregionen wie beispielsweise dem Orionnebel2 oder dem Adlernebel3 beobachtet.

Die Sternentstehung erfolgt in interstellaren Wolken4 bzw. Riesenmolekülwolken, welche hauptsächlich aus molekularem Wasserstoff (H2) bestehen und daneben komplexere Moleküle aufweisen. Diese Regionen erstrecken sich über Entfernungen mit einem Durchmesser von etwa 33 Lichtjahren, wobei ihre Masse 10 bis 1000 Sonnenmassen, ihre Dichte 1000 Teilchen pro Kubikzentimeter und ihre Temperatur mit 10 Grad über dem absoluten Nullpunkt 10 Kelvin beträgt.5 Eine Kontraktion einer derartigen Wolke erfolgt, wenn ihre Moleküle die erforderliche Fluchtgeschwindigkeit zum Austreten aus der Wolke nicht erreichen und infolgedessen aufgrund der Gravitationskraft wieder zurückfallen, was bei tiefen Temperaturen der Fall ist.6 (Unter der Fluchtgeschwindigkeit (siehe auch unten) versteht man die minimale Geschwindigkeit, die ein Objekt benötigt, um der Schwerkraft eines Himmelskörpers entkommen zu können.7)

Aufgrund der Eigengravitation einer derartigen Wolke setzt also eine Kontraktion ein, wenn ein bestimmter Radius unterschritten sowie eine bestimmte Masse überschritten wird – dies ist im so genannten Jeans-Kriterium formuliert.8 Dieses ist nach James H. JEANS (1877 – 1946) benannt, der sich im Jahre 1902 als erster mit derartigen Fragestellungen bezüglich der Instabilität von Gaswolken beschäftigte.9 Der erwähnte Radius und die Masse werden als Jeansradius (RJ) sowie Jeansmasse (MJ) bezeichnet,10 wobei der Jeansradius von der gegebenen Masse, der Dichte und der Temperatur der Gaswolke abhängt.

Für die Jeansmasse gilt: Ihre Maßzahl in Sonnenmassen entspricht etwa dem 100.000-Fachen der Wurzel der dritten Potenz der Temperatur und der Anzahl der Gasteilchen pro Kubikmeter.

In der Definition der Jeansmasse und des Jeansradius werden die Gaswolke als kugelförmig, nicht rotierend, ohne Turbulenz sowie ohne Magnetfeld und die Temperatur sowie die Dichte als einheitlich angenommen.11

Da sich die meisten Riesenmolekülwolken von vornherein nicht im Zustand einer Kontraktion befinden, sind für einen Kollaps der Gaswolken bestimmte Auslöser vonnöten.12 Man nimmt an, dass Dichtewellen13 (– hierbei handelt es sich um materielle Wellen wie beispielsweise Schallwellen, die bei ihrer Bewegung durch ein bestimmtes Medium in demselben Verdichtungen bzw. Verdünnungen bewirken –)14 oder durch Supernovae (siehe unten) verursachte Stoßfronten Kompressionen hervorrufen, die zu Kontraktion und Kollaps in Gaswolken führen, wodurch schließlich Sterne entstehen können.15 Außerdem verursacht der Strahlungsdruck, der von schon entstandenen Sternen ausgeht, weitere Kompressionen, wodurch die Sternenstehung auch gewissermaßen als Kettenreaktionsprozess erfolgt. Weiters muss in diesem Zusammenhang erwähnt werden, dass Sterne nicht einzeln, sondern meist in Haufen bzw. Assoziationen entstehen.16

Von der Gaswolke zum Protostern

Da die Kontraktion von gesamten Riesenmolekülwolken im Allgemeinen durch den Gasdruck und hinzukommende Kräfte wieder zum Stillstand kommt, ist eine Fragmentation der Wolken nötig bzw. erfolgt die Sternentstehung bevorzugt in so genannten Wolkenkernen, bei welchen es sich um Regionen lokaler Verdichtungen handelt.

Damit die Kontraktion nicht zum Stillstand kommt, muss außerdem der Drehimpuls, den jede interstellare Gaswolke aufweist, zu einem großen Teil umverteilt bzw. abgeführt werden. Weiters ist eine Diffusion des Magnetfeldes nötig, das ebenfalls eine hemmende Wirkung auf den Kontraktionsprozess einer Wolke ausübt. Jedoch sind alle Details dieser komplexen Vorgänge noch nicht völlig enträtselt.

Die potentielle Energie, die bei der Kontraktion der Gaswolke frei wird, wird als Wärmeenergie abgegeben. Und wenn deren Abtransport genügend rasch erfolgt, das heißt, sodass es zu keinem Temperaturanstieg kommt, zieht sich die Wolke schneller zusammen – denn die Eigengravitation steigt mit Zunahme der Dichte stärker an als der Gasdruck. Der Grad der Instabilität der Wolke steigt nun weiter an, wodurch die Kontraktion in einen Kollaps übergeht.17 Dieses Stadium läuft nach der Zeitskala der Freien Fallzeit (tff) ab, welche die mittlere Zeit angibt, in welcher die Gaswolke ganz kollabiert.18 Diese Zeit entspricht etwa dem 2100-Fachen des Kehrwerts der Wurzel der Gasmoleküldichte.

Vergrößert sich die Gasdichte infolge des Kollapses, so steigt auch die optische Dicke (die Durchlässigkeit der Gaswolke für Strahlung) an, weshalb der Kühlprozess schließlich nicht mehr so gut funktionieren kann. Im Mittelpunkt des kollabierenden Teils der Gaswolke nehmen die Temperatur und die Dichte zu, sodass der Kollaps verlangsamt wird und ein Gebiet entsteht, in welchem fast ein mechanisches Gleichgewicht besteht. In dieser Region bildet sich ein Protostern, also ein Vorläufer eines eigentlichen Sterns. Da weitere Materie mit Überschallgeschwindigkeit in dieses Gebiet einfällt und in der Stoßfront des Aufprallbereichs eine Umwandlung der kinetischen Energie dieser einfallenden Materie in thermische Energie erfolgt, kommt es zu einer Aufheizung dieses Bereichs. Bei einer Temperatur von ungefähr 2000 Kelvin werden die Wasserstoffmoleküle dissoziiert, und wegen des Energieverbrauchs hierbei kann das mechanische Gleichgewicht nicht aufrecht gehalten werden, weshalb diese Region nochmals kurz kollabiert. Dieser Kollaps dauert bis zur völligen Ionisation des Wasserstoffs. Das Zentralgebiet der Gaswolke kontrahiert nun langsamer weiter.19

Sind Masse, Druck und Temperatur im Inneren des protostellaren Objekts groß genug geworden, beginnt bei einer Temperatur von etwa einer Million Kelvin langsam die nukleare Brennphase des Deuteriumbrennens, in welcher das primordial (kurz nach dem Urknall) entstandene Deuterium zu Helium umgewandelt wird. Aufgrund der Erhaltung des Drehimpulses sammelt sich nun die weiterhin einfallende Materie, die bis zu diesem Stadium von allen Richtungen auf das protostellare Objekt geströmt ist,20 in einer flachen, rotierenden Konfiguration – der Akkretionsscheibe (siehe auch unten) – um diesen an.21 Die Akkretion der Materie wird schließlich durch einen Mechanismus beendet, der noch nicht völlig geklärt ist. Fest steht, dass Sternwinde eine bedeutende Rolle hierbei spielen und die äußeren Regionen22 der Gaswolke wegtreiben. Nun entstehen bipolare Ausströmungen23 (siehe auch unten) entlang der Rotationsachse des protostellaren Objekts (und somit senkrecht zur Ebene der Akkretionsscheibe).24 Es wird nun kein weiteres Deuterium mehr zugeführt und so kommt diese Brennphase zum Stillstand.25

Vorhauptreihensterne

Nach der Auflösung der Verdichtungen des Gases ist der Protostern im optischen Bereich26 beobachtbar, nun wird er als Vorhauptreihenstern bezeichnet.27 In diesem Stadium kontrahiert er noch langsam, akkretiert aus den verbliebenen Resten der Gaswolke Materie und nimmt so an Masse zu. Bei so genannten T-Tauri-Sternen, welche junge, massearme Vorhauptreihensterne sind, kommt es auch zur Ausbildung von Herbig-Haro-Objekten. Diese entstehen, wenn ein scharf gebündelter, vom Stern ausgehender Gasstrahl mit der interstellaren Materie der Umgebung kollidiert.28

Bei einer Temperatur von zehn Millionen Kelvin beginnt die Brennphase des Wasserstoffbrennens (siehe auch unten),29 wobei die Kontraktion durch den bei dieser Brennphase entstehenden Druck aufhört.30 Nun ist die so genannte Hayashi-Linie erreicht, welche als fast senkrechte Grenzlinie im Hertzsprung-Russell-Diagramm (siehe auch unten) die Sterne, die sich im hydrostatischen Gleichgewicht befinden, von den Protosternen abgrenzt, bei denen dies nicht der Fall ist.31