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Der Himmel über La Palma, von Klaus Fuhrmann


Februar 2006 Weiße Zwerge - universale Diamanten




Im letzten Monat führte uns das Interesse an dem hellsten Stern des Nachthimmels - dem Sirius - ironischerweise auch zu einer anderen Gattung von "dunklen Sternen", nämlich den Weißen Zwergen. Da Sie gerade diesen Text lesen, gehe ich davon aus, daß es vor allem das Licht der Sterne ist, das Sie fasziniert. Die Milchstraße, die verschiedenen Sternbilder und die zahllosen Objekte am Nachthimmel, die sich schon mit einem Feldstecher erschließen, üben eine magische Anziehungskraft auf viele Menschen aus.

So wie jede Münze aber ihre zwei Seiten hat, gibt es auch im Reich der Sterne eine dunkle Seite, nämlich eben besagte Weiße Zwerge, denen wir in den Monatsthemen noch des Öfteren begegnen werden. Wegen ihrer zentralen Rolle für das Verständnis der Milchstraße, werden wir daher in dieser Ausgabe noch einmal an Sirius B anknüpfen und uns etwas näher mit den Weißen Zwergen und ihren Eigenschaften beschäftigen.

Wir hatten schon im Zusammenhang mit Sirius B besprochen, daß ein Weißer Zwerg ein toter Stern ist, ein Objekt also, das nur noch auskühlt und keine eigene Energieproduktion mehr betreibt. Vergleichen Sie ihn ruhig mit einem Kaminofen, dem das Feuer ausgegangen ist und der zunächst schnell, dann aber immer langsamer auskühlt. Als unser Weißer Zwerg noch "lebte" und eine Sonne - also eine heiße Gaskugel - vergleichbar der unseren war, füllte er auch ein recht großes Volumen von typischerweise mehr als 1 Millionen Kilometern im Durchmesser aus. Nun aber, da die Kernfusion versiegt ist, drückt die Massenanziehung, oder Gravitation, den Stern auf ein Volumen von der Größe der Erde zusammen. Wir hatten schon bei dem Weißen Zwerg Sirius B erwähnt, daß hierbei der Durchmesser auf 1 Prozent des ursprünglichen Wertes zusammenschrumpft und somit die Dichte 1 Millionen Mal (!) größer wird. Nehmen Sie z.B. einen Radiergummi zur Hand und stellen Sie sich vor, dieser wiege soviel wie ein LKW, dann bekommen Sie in etwa ein Gefühl für die unvorstellbar hohe Dichte, die Sie in einem Weißen Zwerg vorfinden!

Auch hatten wir schon besprochen, daß den Astronomen bereits vor etwa 100 Jahren diese Erkenntnis vorlag. Nur: niemand konnte erklären, wie diese Objekte überhaupt existieren konnten. Allerdings war zu dieser Zeit auch überhaupt nicht klar, wo denn die "normalen" Sterne ihren Energievorrat her hatten. Beide Fragen konnten dann aber in den 1920 und 1930er Jahren des letzten Jahrhunderts mit der genauen Erforschung der Atome und der sie beherrschenden Kernkräfte beantwortet werden.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren die Physiker durch Experimente zu dem Schluß gekommen, daß Wasserstoff - das einfachste aller Atome - aus einem winzigen, positiv geladenen Kern, dem "Proton", und einem ebenso winzigen, negativ geladenen "Elektron" aufgebaut ist. Das Elektron läuft hierbei, ähnlich einem winzigen Planetensystem, um den Atomkern. Allerdings sind dem Elektron nicht beliebige Bahnen gestattet, sondern nur solche in wohl-definierten Abständen. Zwischen diesen Bahnen, so lernte man, konnte das Elektron nun aber hin und her springen, wobei immer ein Quantum Energie benötigt bzw. frei wurde und in letzterem Fall in Form von Licht abgestrahlt wurde. Ein wesentliches Element der in den 1920er Jahren aufkommenden Quantenmechanik war dann allerdings, daß man sich die Welt der Atome nicht als kleine "Kügelchen" vorzustellen habe, was insbesondere in der von Werner Heisenberg gefundenen "Unschärferelation" zum Ausdruck kam. Diese verbietet es prinzipiell, den genauen Ort eines Elementarteilchens bei gleichzeitiger Kenntnis seines genauen Impulses (=Masse x Geschwindigkeit) zu beschreiben, so wie man es z.B. für eine Kugel beim Billardspielen als "normal" erachten würde. Die Welt der Elementarteilchen ist schließlich doch weitaus komplizierter und insbesondere unsere Vorstellungskraft sehr begrenzt. Unabhängig davon lassen sich aber auch schwer verständliche Dinge in physikalische Formeln fassen und so letztlich mit Hilfe der Mathematik auch gut beschreiben.

Wir können an dieser Stelle natürlich keinen detaillierten Einstieg in die Atomphysik betreiben und müssen uns hier darauf beschränken, einige wenige Punkte zu skizzieren. Die 1920er Jahre waren jedenfalls ein goldenes Zeitalter der Physik, und am Ende dieses einen Jahrzehnts waren viele wesentliche Dinge zum Verständnis der Materie offenbar geworden. Neben Heisenbergs grundlegender Erkenntnis erwähnen wir an dieser Stelle das von Wolfgang Pauli gefundene so genannte "Ausschließungsprinzip", wonach die Elektronen nur bis zu einer gewissen maximalen Dichte aufeinander "hocken" dürfen. Wenn man sich dieser nähert, so werden diese einen Widerstand bzw. einen Druck - den so genannten Elektronendruck aufbauen. Daß dieser letztlich die Weißen Zwerge an ihrem Kollaps hindert, war sodann Ralph Howard Fowlers Erkenntnis im Jahre 1926, wobei sich aber auch abzeichnete, daß die Materie in diesem extremen Dichtebereich ziemlich "entartete" Eigenschaften aufweist.

Hierzu gehört insbesondere der Feststellung, daß die Weißen Zwerge mit viel Materie kleiner sind als diejenigen mit wenig Materie. Stellen Sie sich hierzu vor, sie sind in Puerto Naos am Strand und schichten einen Sandhaufen auf. Je mehr Sand sie aber zusammentragen, um so kleiner wird ihr Haufen! Das widerspricht natürlich unserer Erfahrung und wohl jeder müßte denken, da geht es nicht mit rechten Dingen zu. Der Materiezustand, in dem sich die Weißen Zwergen befinden, wird daher auch zu Recht als "entartet" bezeichnet. Dahinter steht letztlich, daß man dieses Massenspiel nicht beliebig wird fortführen können und daß auch die Elektronen dem Druck der Materie nicht uneingeschränkt werden standhalten können…

Bei mehr als 1.4 Sonnenmassen, so die Erkenntnis des jungen Subrahmanyan Chandrasekhar in den 1930er Jahren, kollabiert dann auch ein Weißer Zwerg, allerdings unter Aufgabe der normalen Atomstruktur, wobei dann nämlich die Elektronen in die Atomkerne hineingepreßt werden.

La Palma Astrophysik von Klaus Fuhrmann


Abbildung 1: Geburt eines Weißen Zwerges: wenn keine weiteren Kernfusionsprozesse mehr in Gang kommen, befreit sich der sterbende Stern von seiner Hülle und legt so seinen "entarteten" Kern - den Weißen Zwerg frei, den man hier als weißen Punkt in der Mitte erkennt. Dieser ist zunächst an der Oberfläche mehr als 100000 Grad heiß, kühlt aber in der Folge auch relativ schnell aus. Die heute kühlsten Weißen Zwerge dürften so bereits weniger als 3000 Grad Oberflächentemperatur erreicht haben und die Suche nach ihnen ist eines der Abenteuer der modernen Astronomie.

Wenn dieser aus dem Kern eines alten Sterns entsteht, so ist er zunächst über 100000 Grad heiß und meist noch von einer Hülle aus Materie umgeben, die in der Folge in den Weltraum abgeblasen wird, so wie man es in der Abbildung 1 des berühmten Helix-Nebels im Sternbild Wassermann erkennen kann. Nach etwa 100 Millionen Jahren - astronomisch gesehen ein eher kurzer Zeitraum - hat ein solcher Weißer Zwerg dann nur noch 25000 Grad, was ziemlich genau der aktuellen Oberflächentemperatur von Sirius B entspricht (während Sirius A etwa mit 10000 Grad strahlt). Wenn der Weiße Zwerg dann in der Folge weiter auskühlt, beginnt er in seinem Inneren, wo die größten Dichten vorherrschen, auszukristallisieren. Da viele der Weißen Zwerge im Kernbereich aus Kohlenstoff (und Sauerstoff) bestehen, haben wir es dann also mit unvorstellbar dichten "Diamanten" zu tun, mit Diamanten allerdings, die eine Masse von 10^30 kg - ausgeschrieben: 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 kg - bzw. 5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 Karat haben! Wie bescheiden nimmt sich dagegen der "große" 530 Karat Diamant "Star of Africa" der britischen Krone aus…

So wie es aussieht - und auch dazu werden wir uns noch näher unterhalten müssen - gibt es in unserer Milchstraße viele Milliarden dieser "Diamanten", wie sie in Abbildung 2 dargestellt sind. Der Weiße Zwerg von Sirius, also Sirius B, ist allerdings noch zu jung und zu heiß, um in seinem Inneren auch auskristallisiert zu sein. Er hat derzeit erst ein Alter von ca. 100 Millionen Jahren erreicht und wird erst in 1 Milliarde Jahre mit der Kristallisation beginnen.

Abbildung 2: Künstlerische Darstellung eines im Kernbereich bereits auskristallisierten Weißen Zwerges. Viele dieser toten Sterne bestehen im Wesentlichen aus einem Kohlenstoff-Sauerstoffgemisch, eingebettet in einen dünnen Kokon aus Helium und Wasserstoff (hier: die blaue Hülle). In unserer Milchstraße befinden sich viele Milliarden dieser generell schwer zu beobachtenden Objekte.

La Palma Astrophysik von Klaus Fuhrmann


(Zur Abbildung: siehe http://cfa-www.harvard.edu/press/pr0407image.html.)



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