Fusion

Sterne wie unsere Sonne bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Ihre Massen sind so groß, daß unter ihrem Druck die Gase im Inneren des Sterns zusammengedruückt werden, bis Temperaturen von einigen Millionen Grad erreicht werden. Dabei kommt es zu Kernfusionen, wie in einer Wasserstoffbombe. Die entstehende Hitze dieser Fusion übt einen Gegendruck aus und der Stern ist in einem Gleichgewicht.

Zwei Wasserstoffkerne verschmelzen zu Deuterium. Ein Deuteriumkern ist etwas leichter als die beiden Wasserstoffkerne zusammen. Der Differenzbetrag an Materie ist in Energie umgewandelt worden. Ein Deuteriumkern und ein Wasserstoffkern können zu Helium-3 verschmelzen, ein Helium-3 und ein Wasserstoff zu Helium-4 oder zwei Deuteriumkerne zu Helium-4. Auch bei diesen Fusionen wird Energie frei, aber nicht ganz soviel wie bei der Wasserstofffusion.

Bei sehr großen Sternen ist Druck und Temperatur noch höher. In solchen Sternen finden auch weitere Fusionen statt, zu immer schwereren Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff usw. Dabei ist es so, daß die großen Sterne ihren Brennstoff viel schneller verbrauchen als kleine Sterne. Je mehr Brennstoff ein Stern hat, desto geringer ist paradoxerweise seine Lebenserwartung.

Tod eines Sterns

Irgendwann ist der Wasserstoff im Kern eines Sternes aufgebraucht. Da kaum ein Austausch mit der Hülle des Sterns stattfindet, ist der viele Wasserstoff in der Außenhaut des Sterns nutzlos. Die Wasserstofffusion hört auf und der Stern sinkt in sich zusammen.

Dabei steigen aber Druck und Temperatur im Inneren an und plötzlich reicht es für die Fusion des Heliums. Dabei entsteht wieder mehr Energie und der Stern bläht sich auf.

Supernovae

Je nach Größe eines Sterns kann er mehrere solche Zyklen durchmachen. Teilweise wird auch der Wasserstoff in der Hülle fusioniert, jedenfalls wächst der Stern noch einmal beachtlich an, ein letztes Aufbäumen vor seinem Tod. Unsere Sonne wird in vermutlich 5 Milliarden Jahren so groß werden, daß sie die inneren Planeten schluckt. Ihr Durchmesser wird also von jetzt etwa 1,2 Millionen Kilometer auf über 100 Millionen Kilometer anwachsen! Galaktisch gesehen ist die Sonne aber fast ein Zwergstern.

Viel größere Sterne enden sehr spektakulär. Beim Zusammenstürzen wird praktisch der gesamte Wasserstoff der Hülle auf einmal verbrannt und der Stern explodiert. Mit unglaublichen Geschwindigkeiten wird Material davongeschleudert und dieser einzelne Stern scheint für ein paar Wochen so hell wie 100 Milliarden normale Sterne.

Weiße Zwerge

Wenn dann igendwann auch diese letzten Zuckungen vorbei sind, bricht der Stern zusammen. Nun gibt es keine Fusion mehr im Inneren, die Gegendruck erzeugt und den Sturz bremst. Der Stern wird sehr klein und heiß, diese Hitze ist aber nicht durch Fusion erzeugt, sondern nur durch die gewaltige Druckerhöhung. Die elektromagnetische Kraft versucht, die einzelnen Atome von einander fernzuhalten und die Gravitation drückt dagegen. Ein Stern von der Größe unserer Sonne schrumpft auf einen Durchmesser von vielleicht nur 50000 Kilometer, und das, obwohl immer noch die gleiche Masse darin vereint ist wie zuvor, als er über eine Million Kilometer groß war.

So einen Stern nennt man weißen Zwerg. Er ist sehr klein und heiß, so daß er weiß glüht. Damit ist aber auch irgendwann Schluß und der Stern erkaltet, um dann zu einem schwarzen Zwerg zu werden.

Die Materie eines weißen Zwerges ist enorm dicht. Ein einzelner Kubikzentimeter aus dem Zentrum dieses Sterns kann 100 Tonnen wiegen!
Zum Vergleich: Ein Kubikzentimeter Uran wiegt 19 Gramm.

Neutronenstern

Obwohl die Gravitationskraft die schwächste aller bekannten Kräfte ist, ist sie die einzige, deren Reichweite unbegrenzt ist und die durch Anhäufung von Masse immer stärker wird.

War nun ein Stern bei seinem Tod sehr groß und er hat es nicht geschafft, durch eine Supernovaexplosion genug Materie loszuwerden, ist die verbliebende Masse so gewaltig, daß die elektromagnetische Kraft nicht mehr ausreicht, um die Atomkerne von einander fernzuhalten.

Was passiert? Man kann sich das so vorstellen, als wenn Elektronen und Protonen zusammengequetscht werden und zu Neutronen werden. Der Stern besteht also nicht mehr aus einzelnen Atomkernen in bestimmten Abständen, sondern aus dicht an dicht gepackten Neutronen. Deswegen nennt man einen solchen Stern Neutronenstern.

Damit ist der gesamte Stern so dicht wie ein Atomkern, man könnte sagen, aus dem Stern ist ein riesiger, einzelner Atomkern geworden. Die Sonne ist zu klein, um zu einem Neutronenstern zu werden. Aber wenn sie es würde, wäre sie nur noch 14 Kilometer groß, und dabei hätte sie noch die gleiche Masse wie jetzt.

Neutronium ist unvorstellbar dicht: Die Masse eines Kubikzentimeters kann einige Milliarden Tonnen sein. Alles, was einem Neutronenstern zu nahe kommt, würde durch Gezeitenkräfte zu Pulver zerissen.

Das schwarze Loch

Der Neutronenstern wehrt sich gegen die Gravitation mit der letzten verbliebenen Kraft, der starken Kernkraft. Sie ist es, die Atomkerne zusammenhält. Was aber, wenn der Stern noch massereicher war und nun mit unglaublicher Gewalt zusammenstürzt? Wenn ihn auch die Kernkraft nicht mehr halten kann? Dann sinkt der Stern immer weiter in sich zusammen. Ohne ein Ende. Bis ein Nichts mehr übrig ist.

Die Masse eines gesamten, riesigen Sternes ist auf einen mathematischen Punkt zusammengefallen. Ein Punkt ohne jede Ausdehnung (ob das quantentheoretisch auch gilt oder überhaupt zulässig ist, sei hier einmal. dahingestellt, in solchen Fällen sagt die Relativitätstheorie sozusagen ihr eigenes Versagen voraus). Demzufolge ist die Dichte dieses Punktes auch unendlich hoch. Es ist ein schwarzes Loch.

Trotzdem liest man manchmal etwas vom Durchmesser eines schwarzen Loches. Damit ist aber der Schwarzschildradius gemeint. Jeder Körper hat eine Fluchtgeschwindigkeit, das ist die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um das Anziehungsfeld des Körpers zu verlassen. Je mehr Masse nun auf kleinem Raum vereint ist, desto höher ist diese Fluchtgeschwindigkeit. Bei einem schwarzen Loch ist nun die Fluchtgeschwindigkeit innerhalb des Schwarzschildradius größer als die Lichtgeschwindigkeit. Ein schwarzes Loch mit der Masse der Sonne hätte einen Schwarzschildradius von nur 1,5 km.

Sobald also ein Objekt diese Grenze überschritten hat, ist es unrettbar verloren. Man kann es nicht einmal mehr sehen, denn selbst das Licht kann nicht mehr entkommen. Aus diesem Grunde nennt man diese Sternenleiche auch ein schwarzes Loch. Was einmal hineingefallen ist, kommt niemals wieder heraus (obwohl lustigerweise schwarze Löcher auch wieder verdampfen können).

Wurmlöcher

In Science-Fiction Filmen sind die Wurmlöcher sehr beliebt. Jemand fliegt in ein schwarzes Loch und kommt woanders wieder heraus.

Auch wenn manche physikalischen Theorien ein solches Konstrukt zulassen, ist es dennoch nicht nutzbar. Den die vernichtende Anziehungskraft eines schwarzen Loches hätte jedes Raumschiff schon in großem Abstand zerissen und zu Staub zermahlen. Auf der anderen Seite käme der Astronaut also gasförmig wieder heraus.

Links

Wem das zu einfach war, sollte sich mal die Black Holes FAQ von Ted Bunn ansehen. Oder einen der folgenden Links:

Virtual Trips to Black Holes and Neutron Stars

Black Holes and Beyond