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Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching

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Energie der Zukunft. Fusion 2100

Vom Lebenswandel der Sterne

Vom Lebenswandel der Sterne

Seit Jahrzehnten arbeiten Wissenschaftler daran, die Kernfusion als nahezu unerschöpfliche Energiequelle zu erschließen. Was in irdischen Labors noch Schwierigkeiten bereitet, läuft in Sternen wie unserer Sonne seit Jahrmilliarden reibungslos ab. Wie aber funktionieren die Sterne? Wie werden sie geboren? Wie sterben sie? Achim Weiss vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching spürt den Lebenswegen der kosmischen Plasmakugeln nach – nicht am Teleskop, sondern mit Modellrechnungen am Computer.
Plasmalabor am Firmament: Im Nebel NGC 3603 leuchten Dutzende junger Sterne. Deren Geburt und Lebensläufe spielen die Astrophysiker heute im Computer durch. Bild vergrößern
Plasmalabor am Firmament: Im Nebel NGC 3603 leuchten Dutzende junger Sterne. Deren Geburt und Lebensläufe spielen die Astrophysiker heute im Computer durch. [weniger]

TEXT HELMUT HORNUNG

Wer in sternklarer Nacht fernab der Lichter einer Stadt zum Himmel blickt, schaut in das größte Labor der Welt. Und wer während der Beobachtung genussvoll einen tiefen Zug erfrischender Landluft nimmt, versorgt seinen Körper mit Stoffen, die in diesem Labor erzeugt wurden. Denn die Brutstätten von Elementen wie Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlenstoff funkeln seit Urzeiten am irdischen Firmament – mehr oder weniger hell, mal weiß, mal in gelben, blauen oder roten Farbtönen.

Die Sterne haben die Menschen schon immer fasziniert. Aber noch in den 50er-Jahren des 19. Jahrhunderts rätselten die Forscher über die Natur dieser flackernden Lichter.

„Was die Sterne sind, wissen wir nicht und werden es nie wissen“, soll ein Professor damals geantwortet haben, als ihn ein junger Physikstudent fragte, ob es nicht doch eine Möglichkeit gebe, mehr über das Universum zu erfahren als nur die Position, Entfernung und Helligkeit von Sonne, Mond und Sternen. Der Student hieß Karl Friedrich Zöllner und war mit der Auskunft seines Professors keineswegs zufrieden. So ließ er sich nicht entmutigen, studierte weiter und wurde einer der ersten Astrophysiker – eine Berufsbezeichnung,  die er selbst prägte.

Auch Achim Weiß betreibt diese Profession, arbeitet passenderweise am Max-Planck-Institut für Astrophysik und hat auf Zöllners Frage eine verblüffend simple Antwort parat: „Sterne sind einfache Plasmakugeln, die ihrer eigenen Schwerkraft unterliegen.“ Ein Plasma ist ein Gas aus Ionen, Elektronen und neutralen Teilchen; mehr als 99 Prozent der sichtbaren Materie des Universums befindet sich in diesem Zustand. Die Gravitation wiederum wirkt als dominierende Kraft im Weltall auf alle Objekte, die deutlich  größer sind als Moleküle. Viel mehr Zutaten braucht es nicht, um einen Stern zu bauen. Ingredienzen wie Magnetfelder, Schwingungen oder elektrische Wirkungen spielen selten eine bedeutende Rolle – weder in der Natur noch im Computer, an dem Weiß in Garching Sterne modelliert.

Explodierte Sonne leistet Anschubhilfe

Im All beginnt die Geburt eines Sterns mit einer riesigen Gaswolke. Deren Masse muss so groß sein, dass die Schwerkraft gegenüber dem inneren Druck und den Turbulenzen – die das filigrane Gebilde auseinandertreiben wollen – die Oberhand gewinnt. Damit die Geburt  vorangeht, bedarf es vermutlich einer sanften Anschubhilfe von außen, etwa der Druckwelle einer nahe gelegenen Supernova, also einer explodierten Sonne.

Irgendwann zerbricht die Wolke in kleinere Klumpen, die jeder für sich kollabieren. Unter den Fesseln der Gravitation rücken die Teilchen innerhalb eines solchen Fragments näher zusammen. „Ginge das immer so weiter, müsste die Sterngeburt in einem schwarzen Loch enden“, sagt Achim Weiß. Wie widersteht das Innere der Gaskugel, die sich allmählich herausbildet, dem wachsenden Druck der Gravitation? Was stoppt den Zusammenbruch  des Sternembryos?

Die Kompressionsarbeit der Schwerkraft erzeugt Wärme und Druck. Die Wärme führt dazu, dass sich die Elektronen von den Atomrümpfen trennen – ein Plasma entsteht. Und der Druck sorgt dafür, dass das Gas eine „Gegenkraft“ aufbauen kann, die der Gravitation Paroli bietet: In jedem Abstand vom Zentrum der Kugel ist der Druck ebenso groß wie das Gewicht der darüber liegenden Gasmassen. Der Stern ist zu einem stabilen Gebilde geworden. Mit den Worten der Astrophysiker: Er befindet sich im hydrostatischen Gleichgewicht.

Ein solcher Zustand lässt sich in einem einfachen Experiment nachempfinden. Dazu drückt man vorsichtig eine Fahrradpumpe zusammen und blockiert dann mit  dem Finger den Luftauslass. Weil die Luft in der Pumpe nicht mehr abfließen kann, baut sich in dem Rohr ein Druck auf, der den Kolben stoppt. Bei entsprechender Dosierung des Drucks auf den Kolben bleibt dieser bewegungslos in der Pumpenröhre stecken – eine Art Gleichgewichtszustand stellt sich ein.

 
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