Die Volkssternwarte Bonn bleibt bis auf weiteres geschlossen! Geplante Veranstaltungen in den Räumen der Volkssternwarte finden vorerst NICHT statt.

Hierzu zählen unsere regulären Öffnungszeiten, Beobachtungen, Seminare, Vorträge, der Tag der OffenenTür, die Mitgliederversammlung usw.

Auf weitere Veranstaltungen, die online durchgeführt werden können, weisen wir Sie im Folgenden immer explizit hin.

Über Änderungen an dieser Situation informieren wir Sie zeitnah!

Der Vorstand                                                                        (Stand: 09. April 2021)

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Online-Veranstaltung: Bonner Sommerhimmel am 23.04.2021

Zum 23.04.2021 um 19:00 Uhr bieten wir eine online-Veranstaltung an (s. auch im Terminkalender). Dr. Norbert Juhnkes vom Max-Plank-Istitut für Radioastronomie wird über 50 Jahre astronomischer Forschung mit dem Effelsberger Radioteleskop berichten. Sofern es die Situation zulässt, werden wir eine online Beobachtung mit dem Teleskop des Argelander-Institutes anschließen. Diese Onlineveranstaltung findet als Zoom-Konferenz statt. Sie benötigen für die Teilnahme einen Browser mit Internetzugang.

Für die Teilnahme an dere Veranstaltung kopieren sie nachstehenden Link in Ihren Browser und führen ihn dann aus:

https://uni-bonn.zoom.us/j/94822747644?pwd=UVEzN3p3ejUyZ2srMXpCNmNML0xkQT09

Fragen können während des Vortrags im Chat gestellt werden. Wenn Sie sich mit einer Mail bei Bonner-Sternenhimmel@volkssternwarte-bonn.de anmelden, werden Ihnen die Zugangsdaten zur Online-Veranstaltung rechtzeitig zugeschickt. Sie werden dann auch bei allen folgenden Veranstaltungen benachrichtigt. Ansonsten werden wir die Zugangsdaten kurz vor der Veranstaltung auch an dieser Stelle veröffentlichen.

Online-Veranstaltung: „Pauls portables Planetarium“ am 27. April 2021

Einmal mehr können Menschen, die sich für Astronomie interessieren, den Lockdown-Zeiten ein Schnippchen schlagen.

Nach der Karnevalsausgabe am Veilchendienstag ist dies die zweite digitale Ausgabe von „ppp“ im Jahr 2021. Ein Thema der Astronomieshow wird die aktuelle Marsforschung sein, aber auch der simulierte Anblick des Sternenhimmels und weitere Astrohighlights kommen nicht zu kurz.

Der kostenlose Livestream beginnt um 18:00 MESZ, das Video wird anschließend dauerhaft verfügbar sein.

Online-Veranstaltung: Sterne und Wein am 29. April 2021

Feine Weine, Spannendes aus der Astronomie und live improvisierte Musik – das sind bekanntlich die Elemente von Sterne und Wein online.

Wer sich anmeldet erhält einen Zoomlink und ein Paket mit drei ausgesuchten Weinen (je 0,7l). Am Abend der Veranstaltung treffen sich Menschen zum gemütlichen und informativen Zusammensein in einer Art gemeinsamen digitalen Wohnzimmer (der Beginn ist um 19:00 Uhr).

Paul Hombach von der Volkssternwarte Bonn und Peter Wollmann führen durch die Welt der Sterne und Weine und lassen sich mit Vergnügen „schwarze Löcher“ zu beiden Themen in den Bauch fragen.

Die Teilnahme kostet EUR 35.- inkl. Versand. Damit die leckere Post rechtzeitig ankommt, melden Sie sich bitte bis zum 21.4. an. Eine einfache Mail an contact@vinauthority.de reicht.

Clear skies und cheers!

Sternentstehung: Bildung des Protosterns

Nachdem wir im vorherigen Beitrag die Bedingungen für einen Kollaps interstellarer Gaswolken kennengelernt haben, schauen wir uns jetzt näher an, was beim Kollaps selbst geschieht.

Zur Erinnerung: Wenn interstellare Gaswolken kalt und dicht genug sind, übersteigt die Gravitationskraft den inneren Druck der Gaswolken und sie beginnen zusammenzufallen.

Potentielle Gravitationsenergie wird in Wärme umgewandelt

Umwandlung von gerichteter in ungerichtete Bewegung

Gasteilchen werden durch die Gravitiation in die interstellare Wolke hinein gezogen. Durch Stöße wird die ins Zentrum gerichtete in ungerichtete Bewegung (Wärme) umgewandelt.

Die gravitative Anziehung beschleunigt die äußeren Schichten der Gaswolke in Richtung Zentrum (potentielle Gravitationsenergie wird in kinetische Energie umgewandelt; das Gleiche geschieht, wenn ein Stein zu Boden fällt: er wird schneller, verliert aber potentielle Energie). Die Zunahme an Geschwindigkeit entspricht einer Zunahme an kinetischer Energie – sprich Geschwindigkeit. Die Beschleunigung geht aber nicht ohne Störung vonstatten. Irgendwann stoßen die schneller werdenden Gasteilchen mit anderen zusammen. Dabei kommt es zu einer Umverteilung der kinetischen Energie bzw. der Geschwindigkeit der Stoßpartner. Sie ändern im allgemeinen ihre Geschwindigkeitsbeträge und -richtungen – abhängig von den konkreten Stoßparametern. Auf diese Weise wird gerichtete Bewegungsenergie in ungerichtete Bewegung, d.h. in thermische Energie, umgewandelt. Während sich die Wolke verkleinert, wird das Gas heißer!

Lichtaussendung nach Stoßanregung kühlt anfangs die Gaswolke

Stoßanregung eines Atoms

Schematische Darstellung der Anregung eines Elektrons in einen energiereicheren Zustand durch Stoß von Atomen. Nach der Anregung fällt das Elektron nach kurzer Zeit wieder in den Grundzustand zurück, wobei ein Photon mit der Differenzenergie emittiert wird.

Zunächst findet eine nur geringe Temperaturerhöhung statt. Es gibt nämlich einen Kühlmechanismus: Bei den Stößen findet nicht nur eine Umwandlung von gerichteter in thermische Bewegung statt; es geschehen auch energetische Anregungen innerhalb der Atome bzw. Moleküle (sog. Stoßanregung: Elektronen werden in höhere Energiezustände gebracht; Atome in Molekülen zu Schwingungen angeregt; Moleküle in Rotation versetzt). Da die Gesamtenergie bei einem Stoß erhalten bleiben muss, ist die Summe der kinetischen Energien der Gasteilchen nach einem Stoß kleiner als vor dem Stoß. Die Differenzenergie steckt in den angeregten Atom- bzw. Molekülzuständen. Die angeregten Zustände sind aber nicht stabil. Sie geben in sehr kurzer Zeit die durch Stöße aufgenommene Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung (Licht) wieder ab und fallen auf ihre energetischen Grundzustände zurück. Das Licht kann aufgrund der zu Beginn der Kontraktion noch recht geringen Teilchendichten aus der Wolke entweichen und Kontraktionsenergie abführen. Da die durch Kontraktion gewonnene kinetische Energie nicht vollständig in thermische Energie umgewandelt wird, findet eine Kühlung der Gaswolke statt. Über diesen Mechanismus wird der Temperaturanstieg am Anfang der Kontraktion gebremst.

Bei steigender Dichte funktioniert die Kühlung nicht mehr

Die Kontraktion selbst läuft jedoch ungebremst weiter, da die Massedichte und damit die Gravitationskraft steigt. Irgendwann ist die Dichte so groß, dass die erzeugten Lichtquanten (Photonen) mit Gasteilchen zusammen stoßen und von ihnen absorbiert werden. Das Licht kann nicht mehr entkommen, die Kühlung funktioniert nicht mehr und die Aufheizung der Gaswolke geht jetzt erst richtig los. Modellrechnungen zeigen, dass nach einigen tausend Jahren die kontrahierende Gaswolke eine Temperatur von ein paar tausend Grad erreicht hat. Diesen Zustand nennt man einen Protostern. Ein richtiger Stern ist das noch nicht, denn die Gaswolke ist immer noch sehr groß im Vergleich zu einem Stern und die Kernfusion – die Energiequelle der Sterne – hat noch nicht gezündet. Doch ist die weitere Entwicklung zum Stern ab dieser Phase der Kontraktion unvermeidbar: die Wolke wird kleiner und kleiner werden und sich dabei immer weiter aufheizen.

Was dann geschieht, betrachten wir im nächsten Teil der Beitragsreihe zur Sternentstehung.

Astrovorschau für Bonn im März und April 2021

In den ersten Frühlingsmonaten hält die Planetenflaute zunächst noch an. Am Abendhimmel ist einzig Mars zu sehen. Immerhin tauchen Jupiter und Saturn wieder am Morgenhimmel auf. Mit der zunehmenden Tageslänge ziehen sich die Wintersternbilder vom Abendhimmel zurück und die Frühligssternbilder rund um den Löwen übernehmen die Regie.

Die Sonne erreicht am 20. März den Frühlingspunkt, die Tag- und Nachtgleiche tritt ein. Die Bonner Sonnenuntergänge verspäten sich von 18:13 MEZ am 1. März auf 20:51 MESZ am 30. April. Mit den späteren Sonnenuntergängen und der jährlichen Drehung der Himmelsbühne geht es dem Wintersternhimmel gleich doppelt an den Kragen. Dominieren Mitte März um 20:00 MEZ die Sternbilder rund um den Orion noch den Anblick des Abendhimmels im Süden und Südwesten, so muss man Mitte April zunächst bis gegen 21:30 MESZ auf ausreichende Dunkelheit warten und findet dann die Wintersternbilder weit in den Westen gerückt.

Hoch im Süden steht das Sternbild Krebs mit dem schönen offenen Sternhaufen M 44 (Fernglas!), nach Osten schließt sich der Löwe an. Die Form erinnert etwas an ein Bügeleisen. Der hellste Stern des Löwen-Trapezes an dessen südwestlicher Ecke ist Regulus. Weiter zum Osthorizont hin leuchtet der orangefarbene Arktur im Bärenhüter, einer der hellsten Sterne des Nordhimmels. Im Südosten ist Spica mit dem Sternbild Jungfrau aufgegangen. Regulus, Arktur und Spica bilden die informelle Figur des Frühlingsdreiecks.

Abb. 1: Wachablösung am Bonner Abendhimmel: Am 1. April 2021 um 21:00 MESZ. Die Wintersternbilder mit Rigel im Orion, Aldebaran im Stier, Kapella im Fuhrmann, Pollux in den Zwillingen, Prokyon im Kleinen und Sirius im Großen Hund sind nach Südwesten gerückt. Den Südosten nimmt das Bonner Wappentier, der Löwe ein. Im Südosten geht das Sternbild Jungfrau auf, der bekannte Große Wagen (Teil des Sternbildes Großer Bär) steht hoch im Südosten (Grafik erstellt mit Stellarium)

Merkur hält sich Anfang März westlich der Sonne auf, am Morgenhimmel verläuft zu dieser Jahreszeit die Ekliptik sehr flach und es kommt daher eigentlich zu keiner Sichtbarkeit. Jedoch können Fernglasbeobachter versuchen, am Morgen des 5. März die enge Begegnung Merkurs mit Jupiter zu erwischen. Beide Planeten nähern sich auf 2/3 eines Monddurchmessers an, der hellere Jupiter steht südlich. Ende April beginnt Merkur eine Abendsichtbarkeit, die sich im Mai zur besten des Jahres entwickeln wird.

Man kann am 29. April um 21:00 MESZ mit dem Fernglas bei freier Sicht zum Westnordwesthorizont Merkur in 6° Höhe erspähen. Senkrecht darunter, nur knapp 3° hoch finden wir mit Glück auch noch Venus, die am 26. März in oberer Konjunktion mit der Sonne stand und nur ganz zögerlich am Abendhimmel auftaucht. Mars am westlichen Abendhimmel zieht Anfang März südlich an den Plejaden vorbei, was sowohl mit freiem Auge als auch mit dem Fernglas hübsch anzusehen ist.

Ansonsten verblasst der Rote Planet weiter. Am 19. März erhält Mars Besuch vom zunehmenden Mond, der dann zwischen Mars und Aldebaran im Stier steht. Auch am 17. April macht der Erdtrabant unserem äußeren Nachbarn seine Aufwartung, wobei er dann 3° nordöstlich leuchtet.

Abb. 2: Enge Begegnung zwischen Jupiter und Merkur in der Morgendämmerung des 5. März. Blick nach Ostsüdosten um 6:20 MEZ. Zur Beobachtung sind ein freier Blick zum Horizont und ein Fernglas nötig. Grafik erstellt mit Stellarium

Jupiter und Saturn setzen sich langsam aber sicher am Morgenhimmel in Szene. Während es im März noch schwierig ist, die Gasplaneten vor Sonnenaufgang in der Dämmerung auszumachen, zeigen sich beide im April schon günstiger. Am 15. März geht Jupiter rund eine Stunde vor der Sonne auf, am 15. April 1 ¾ Stunden. Saturn erscheint jeweils etwa eine halbe Stunde früher als Jupiter, ist aber der deutlich unauffälligere von beiden. Uranus ist in den ersten Märztagen noch mit dem Fernglas am Abendhimmel zu sehen, entschwindet aber dann den Blicken. Neptun ist in diesen Wochen nicht zu beobachten.

Der Mond ist am Sonntag, den 28. März in Vollmondstellung. An diesem Datum werden auch die Uhren um eine Stunde auf Mitteleuropäische Sommerzeit vorgestellt. Eine Woche später ist Ostersonntag. Der zweite Frühlingsvollmond fällt auf den 27. April. Die Neumondtermine stehen am 13. März und 12. April im Kalender. Jeweils einen Tag später locken sehr feine zunehmende Mondsicheln Naturbeobachter zum Blick an den Westhorizont bald nach Sonnenuntergang.

Paul Hombach als Verfasser und die Volkssternwarte Bonn wünschen allen Leserinnen und Lesern viel Freude bei der Beobachtung!

 

Unboxing of the eVScope !

Bereits im September hatte sich der Vorstand der Volkssternwarte Bonn dazu entschlossen, ein eVScope anzuschaffen. Diese Anschaffung wurde wegen Undichtigkeiten im Dach und unklarer Kostenlage für die Reparaturen vorerst zurückgestellt. Aber nachdem diese Reparatur kostengünstig durchgeführt worden war (Dachreparatur), konnte nunmehr auch das eVScope angeschafft werden.

Das eVScope ist eine völlig neue Art von Teleskop und löst bei einigen Personen sogar widerstreitende Gefühle bis hin zu massiver Ablehnung aus. Für die Anhänger der rein visuellen Astronomie ist es vielleicht zu elektronisch (auch wenn bei jeder Digitalkamera heute der Blick im Sucher ebenfalls ’nur‘ auf ein Display fällt) und für die überzeugten Anhänger der Astrofotografie ist die Qualität der erzeugten Bilder nicht gut genug.

Dabei liegt dieses Teleskop in Wahrheit irgendwo zwischen diesen beiden Welten und bietet eine vollständige Integration von Komponenten, wie sie bisher nicht gegeben war und eine Einfachheit und überraschende Erfolgserlebnisse selbst unter einem aufgehellten Stadthimmel.

Man benötigt im Betrieb lediglich das Stativ und das Teleskop. Nach dem Einschalten erkennt das Teleskop selbsttätig, wie es ausgerichtet ist und kann danach sofort das gewünschte Objekt anfahren. Auch hier sorgt eine erneute Felderkennung dafür, dass das Zielobjekt mitten im Bildfeld auftaucht. Neben dem Liveview gibt es die ‚Enhanced Vision‘, die für das eVScope auch namensgebend war. Hier werden intern einzelne Aufnahmen miteinander kombiniert, so dass sich in Summe bereits nach einigen Sekunden ein rauschfreies Bild mit enorm vielen Details und in Farbe ergibt, wie man es auch mit einem viel größeren Teleskop niemals sehen könnte.

Ich selbst benutze seit vielen Monaten privat ebenfalls ein eVScope und bin nach wie vor begeistert von dessen Eigenschaften. Deshalb berichte ich (seit über zwei Monaten wetterbedingt leider nicht) in einem eigenen Blog über meine eigenen Erfahrungen mit diesem Teleskop (Peter Oden’s Blog zum eVScope).

Für uns als Volkssternwarte waren aber noch weitere Gründe für diese Anschaffung ausschlaggebend. Heute kann noch niemand abschätzen, wie lange die coronabedingten Einschränkungen noch anhalten. Aber selbst bei einer hoffentlich in absehbarer Zeit möglichen Lockerung werden selbstverständlich weiterhin Abstands- und Hygieneregeln gelten müssen! Das heißt für uns, das zum Beispiel in unserer kleinen Sternwarte zusätzlich zu einem Sternführer der Volkssternwarte noch maximal zwei Gäste im Raum sein können. Und nach dem Blick durchs Okular muss dieses auch jedesmal desinfiziert werden (wobei darüber hinaus gar nicht klar ist, wie sich das auf die Linsen des Okulars auswirkt!).

Das eVScope verfügt zwar ebenfalls über ein elektronisches Okular, aber das Bild kann gleichzeitig auf einem Smartphone oder Tablet angeschaut werden, von dem aus auch die Steuerung erfolgt. Und zusätzlich ist das eVScope in der Lage, die aktuellen Bilder der Beobachtung an bis zu zehn verschiedene Geräte (!) zu streamen. Wenn also Besuche wieder möglich sind, können mit dem eVScope bis zu zehn Gäste gleichzeitig auf ihren privaten Smartphones oder Tablets die Sternführung vor Ort miterleben! Und bei Bedarf können  diese Bilder auch mit einem kleinen Beamer auf eine Leinwand projiziert werden, so dass wir – hoffentlich bald – auch für kleinere Gruppen (nach Anmeldung) wieder Sternführungen werden anbieten können!

Heute traf nun das eVScope ein und wir werden es in der nächsten Zeit, ehe es in der Öffentlichkeitsarbeit eingesetzt werden kann, ausführlich selbst testen und darüber berichten!

 

Das Technikjournal

Noch vor Corona hatten wir in der Sternwarte Besuch von den beiden angehenden Technikjournalisten Jennifer Kosch und Dennis Weber, die im Rahmen einer Semesterarbeit über Astronomie und auch die Volkssternwarte Bonn berichten wollten.

Das Ergebnis findet sich hier: Bericht im Technikjournal

Sternentstehung: Kollaps von Gaswolken

Im ersten Teil dieser kleinen Reihe über Sternentstehung haben wir uns grundlegende physikalische Gesetze angesehen, die am Beginn der Sternentstehung eine wichtige Rolle spielen: die kinetische Gastheorie und das Newton’sche Gravitationsgesetz. Zur Erinnerung: Gase bestehen aus Atomen oder Molekülen, die sich in alle möglichen Richtungen bewegen und deren Geschwindigkeiten mit der Temperatur ansteigen. Massebehaftete Körper ziehen sich gegenseitig umso stärker an je größer ihre Masse und je kleiner ihre Entfernung ist.

Diese Erkenntnisse wenden wir jetzt auf die erste Phase der Sternentstehung an: den Kollaps einer interstellaren Gaswolke.

Stabilität der Gaswolke im Wechselspiel zwischen Druck und Gravitation

In einer solchen Wolke, die im Wesentlichen aus Wasserstoffatomen oder -molekülen, ein paar anderen Gasen und Staubpartikeln besteht, gibt es zwei widerstrebende Tendenzen. Zum einen die thermische Bewegung der Gasteilchen, die eine allmähliche Ausdehnung und Zerstreuung der Gaswolke befördert und zum anderen die internen Gravitationskräfte, die auf eine Kontraktion der Wolke hinauslaufen. Schauen wir etwas genauer hin:

Betrachten wir die gravitativen Verhältnisse am Rande der Wolke (wir idealisieren die Situation und nehmen eine kugelförmige, homogene Wolke an). Die randständigen Gasteilchen werden durch die Gravitationskräfte der Gaswolke in Richtung Zentrum gezogen. Je größer die Materiedichte der Gaswolke – also die Anzahl der Gasteilchen pro Volumeneinheit – desto größer ist die Gesamtmasse der Wolke und damit die ins Zentrum wirkende Gravitationskraft. Allerdings fliegen viele Gasteilchen in der Wolke aufgrund ihrer thermischen Bewegung nach außen – mit der Tendenz, die Wolke zu verlassen. Hier kommt die Fluchtgeschwindigkeit der Wolke ins Spiel (zur Erinnerung: Materie, die sich im Gravitationsfeld eines massereichen Körpers befindet, kann diesen nur dauerhaft verlassen, wenn ihre Geschwindigkeit größer als die Fluchtgeschwindigkeit ist).

Konkurrenz zwischen thermischer Bewegung der Gasteilchen und Gravitationskraft einer interstellaren Gaswolke

Schematische Darstellung der Konkurrenz zwischen thermischer Bewegung (Zerstreuung) und Gravitationskraft (Kontraktion) einer interstellaren Gaswolke: Einfluss der Fluchtgeschwindigkeit der Gasteilchen auf die Stabilität der Wolke

Wenn die mittlere Geschwindigkeit der Gasteilchen kleiner als ihre Fluchtgeschwindigkeit ist, überlagert sich deren thermischer Geschwindigkeitsverteilung eine Bewegung in Richtung Zentrum (sozusagen ein Wind, der aus allen Richtungen gen Zentrum weht). Denn die Teilchen haben nicht genug kinetische Energie, um der Schwerkraft der Wolke zu entkommen. Niedrige kinetische Energie der Gasteilchen bedeutet nach der kinetischen Gastheorie niedrige Temperatur der Gaswolke. Das heißt also: Je geringer die Temperatur und je größer die Massendichte der Gaswolke ist, desto eher „siegen“ die Gravitationskräfte über die Tendenz zur Zerstreuung der Wolke.

Da mit der Bewegung der Gasteilchen nach den allgemeinen Gasgesetzen (sog. Zustandsgleichung idealer Gase) ein Druck verbunden ist, sagt man auch: die nach innen gerichtete Gravitationskraft der Gaswolke übersteigt an ihrem Rand den nach außen gerichteten Druck. Quantitativ wird dieser Zusammenhang durch das Jeans Kriterium beschrieben, mit dessen Hilfe die für die Kontraktion der Wolke notwendige Mindestmasse errechnet werden kann.

Dichte interstellare Gaswolken sind die Geburtsstätten von Sternen

Beispiel einer dichten molekularen Gaswolke

Beispiel einer dichten molekularen Gaswolke im Carinanebel
Quelle: Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Molek%C3%BClwolke

Im Weltall gibt es verschiedene Typen von interstellaren Gaswolken. Manche sind so heiß und verdünnt, dass eine Sternbildung nach dem Jeans Kriterium nicht in Frage kommt. Dagegen sind sog. „Dichte Gaswolken“ kalt und dicht genug, um eine Sternentstehung zu ermöglichen. Die Temperaturen liegen bei ca. 10 K, die Dichten bei 109 bis 1013 Teilchen pro m3 (das ist immer noch sehr viel weniger als Luft auf der Erde mit Teilchendichten im Bereich von 1025 pro m3). Die Größe variiert zwischen 20 und 600 Lichtjahren. Dichte interstellare Gaswolken bestehen im Wesentlichen aus Wasserstoffatomen und -molekülen und in geringen Mengen aus Gasen wie Kohlenmonoxid (CO). Beobachtet werden diese Gaswolken mit Hilfe der Infrarotspektren der CO-Moleküle, da Wasserstoff keine Infrarotstrahlung aussendet. Mehr zur Infrarotspektroskopie in einem früheren Beitrag.

Betont werden muss, dass die geschilderten Zusammenhänge eine starke Vereinfachung darstellen. In Wirklichkeit sind die Verhältnisse bei der Kontraktion interstellarer Gaswolken erheblich komplizierter. Beispiele sind:

  • Interstellare Gaswolken sind normalerweise stabil, da in ihnen ein Gleichgewicht zwischen Druck und Gravitation besteht. Es bedarf irgendwelcher Ereignisse (Trigger), um dieses Gleichgewicht zu stören und eine Kontraktion zu veranlassen (z.B. Stoßfronten einer nahen Supernova, Durchzug von Sternen durch die Gaswolke, Zusammenstoß zweier Gaswolken etc.).
  • Innerhalb einer Gaswolke kann es mehrere Regionen mit lokal erhöhter Dichte geben, sodass an verschiedenen Stellen Sterne entstehen können. Dies ist der Grund dafür, dass häufig Sterncluster bzw. Doppelsternsysteme beobachtet werden.
  • Neben der nach innen gerichteten Bewegung der äußeren Gasschichten existiert eine aus der Entstehung der Gaswolken resultierende Rotationsbewegung innerhalb der Wolke. Die entsprechende Zentrifugalkraft trägt zum Auseinanderstreben der Wolke bei und erhöht die Jeans-Grenze. Die Rotationsbewegungen führen auch dazu, dass Sterne eine Eigenrotation aufweisen, da der Drehimpuls der Wolke bei der Kontraktion erhalten bleibt: ähnlich wie bei einem Eisläufer, der schneller rotiert, wenn er seine Arme an den Körper presst, wird auch die Rotation der Wolke bei der Kontraktion schneller. Dadurch führen selbst geringe Rotationsbewegungen in der Wolke zu hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Sterne (unsere Sonne dreht sich in ca. 25 Tagen einmal um sich selbst, was einer Rotationsgeschwindigkeit am Sonnenäquator von über 1.000 km/h entspricht).

Fazit

Dichte interstellare Gaswolken sind kalt und dicht genug, um Sternentstehung zu ermöglichen. Die Gravitationskräfte sind größer als der innere Druck der Gaswolken und bewirken eine Kontraktion der Wolke.

Im nächsten Teil der Beitragsreihe schauen wir uns an, wie es nach dem Beginn der Kontraktion weiter geht und was ein Protostern ist.

Sternentstehung: Physikalische Grundlagen

Astrophysik und insbesondere Astronomie beschäftigen sich zu großen Teilen mit den Eigenschaften von Sternen. Grund genug, sich in einer kleinen Reihe von Beiträgen etwas näher mit der Entstehung von Sternen zu beschäftigen. Eine Reihe deshalb, weil das Thema zu umfangreich ist, um es in einem Rutsch abhandeln zu können. Etappen bei unserer Reise werden sein:

0. Physikalische Grundlagen
1. Der Beginn: Kollaps von Gaswolken
2. Bildung des Protosterns
3. Zündung der Kernfusion als Energiequelle
4. Stabilitätsbedingungen von Sternen

Dem liegt zugrunde, dass Sterne aus interstellaren (außerhalb von Sonnensystemen befindlichen) Gaswolken entstehen, die sich durch ihre Eigengravitation zusammenziehen und dabei die Fusion von Wasserstoffkernen zu Helium als Energiequelle des entstehenden Sterns zünden.

In dieser ersten Folge soll es also um einige physikalische Grundlagen der Sternentstehung gehen.

Zwei physikalische Gesetze spielen eine Hauptrolle in der ersten Phase der Sternentstehung: die kinetische Gastheorie und das Gravitationsgesetz. In einem späteren Stadium der Sternentstehung ist dann das Wechselspiel von elektromagnetischen und Kernkräften wichtig, um den Ablauf von Kernfusionen zu verstehen.

Die Kinetische Gastheorie

Gase sind dadurch ausgezeichnet, dass ihre atomaren Bestandteile (Atome, Moleküle) in ständiger ungerichteter Bewegung sind („ungerichtet“ heißt: sie haben keine Vorzugsrichtung, in der sie sich bewegen; alle Richtungen sind gleich wahrscheinlich). Sie flitzen mehr oder weniger schnell in alle Richtungen in der Gegend herum. Allerdings haben nicht alle Gasteilchen die gleiche Geschwindigkeit: sie stoßen immer wieder zusammen und können dabei Bewegungsenergie (kinetische Energie) unter Einhaltung des Energieerhaltungssatzes aufeinander übertragen. Betrag und Richtung der Teilchengeschwindigkeiten ändern sich dabei normalerweise. Das sorgt dafür, dass sich eine Geschwindigkeitsverteilung einstellt; d.h.: die Geschwindigkeit eines Teilchens liegt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls; nicht alle Teilchen haben dieselbe Geschwindigkeit.

Simulation der ungerichteten Bewegung von Gasteilchen

Simulation der ungerichteten Bewegung von Gasteilchen und der resultierenden Geschwindigkeitsverteilung (Wahrscheinlichkeit, dass ein Gasteilchen einen bestimmten Geschwindigkeitsbetrag besitzt); Quelle: englischer Wikipedia-Beitrag „Maxwell-Boltzmann distribution“

Die Geschwindigkeitsverteilung unterliegt einem grundlegenden physikalischen Gesetz: der Maxwell-Boltzmann-Verteilung. Sie zeigt, dass es einen engen Zusammenhang zwischen der mittleren Geschwindigkeit bzw. der mittleren kinetischen Energie der Teilchen und der Temperatur des Gases gibt: Die Gastemperatur ist proportional zur mittleren kinetischen Energie der Gasteilchen und damit zum Quadrat der Teilchengeschwindigkeit.

Geschwindigkeitsverteilung von Gasteilchen bei verschiedenen Temperaturen

Geschwindigkeitsverteilung von Gasteilchen bei verschiedenen Temperaturen (Quelle: https://pawn.physik.uni-wuerzburg.de/video/thermodynamik/k/sk10.html)

Zu der völlig ungerichteten (Temperatur)Bewegung der Gasteilchen kann eine gerichtete Vorzugsbewegung größerer Teile des Gases kommen. Das entspricht großräumigen Strömungen innerhalb des Gases, die sich der Temperaturbewegung überlagern. Wind beispielsweise ist eine gerichtete Bewegung der Luftmoleküle, die der Temperaturbewegung überlagert ist. Übrigens: Wind wirkt auf uns Menschen nicht deshalb kühler, weil er eine geringere Temperatur als ruhende Luft hat, sondern weil er kühle Luft an die warme Haut bringt und die Haut durch Verdampfung von Schweiß zusätzlich kühlt.

Ist das Gas in einem Behälter eingeschlossen, stoßen die Teilchen immer wieder an die Wände und werden zurückgeworfen. Durch den Rückprall wird eine Kraft auf die Wandfläche ausgeübt, was gleichbedeutend damit ist, dass ein Druck auf die Wand einwirkt. Das für die Sternentstehung wichtige interstellare Gas ist jedoch nicht in einem Behälter gefangen. Grundsätzlich können sich die Teilchen immer weiter von der Gaswolke entfernen, da am Rand der Wolke die Dichte des Gases relativ klein ist und Zusammenstöße der Gasteilchen unwahrscheinlicher werden.

Wieso kann sich unter diesen Umständen ein Stern aus der Gaswolke bilden? Hier kommt das Gravitationsgesetz ins Spiel.

Das Gravitationsgesetz

Für die Diskussion der Sternentstehung ist es ausreichend, das klassische Newton’sche Gravitationsgesetz zu betrachten (Effekte der Einstein’schen Allgemeinen Relativitätstheorie spielen keine wesentliche Rolle). Newtons Gravitationsgesetz besagt, dass zwei massebehaftete Körper eine Kraft (Gravitationskraft) aufeinander ausüben, die immer anziehend wirkt. Die Gravitationskraft ist umso größer, je mehr Masse die beteiligten Körper haben und je näher sie beieinander liegen. Die Kraft nimmt mit dem Quadrat der Entfernung der beiden Körper ab.

Newton'sches Gravitationsgesetz und Fluchtgeschwindigkeit

Gravitationsgesetz von Newton: Anziehungskraft FG zweier Körper mit den Massen m1 und m2 im Abstand r; G: Gravitationskonstante.
Fluchtgeschwindigkeit vFlucht eines sich radial von einem Zentralköper (Masse M, Radius R) entfernenden Körpers; Fluchtgeschwindigkeit ist unabängig von Masse des fliehenden Körpers!

Im Zusammenhang mit der Entstehung von Sternen aus Gaswolken ist eine spezielle Konsequenz des Gravitationsgesetzes wichtig: Um aus dem Gravitationsfeld eines Körpers zu entkommen, ist eine radiale (vom Zentrum des Körpers nach außen gerichtete) Mindestgeschwindigkeit notwendig (bei der Erde beträgt diese sog. Fluchtgeschwindigkeit ca. 11,2 m/s; so schnell müssen Raketen mindestens sein, um nicht zur Erde zurück zu fallen). Wichtig ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit unabhängig von der Masse des fliehenden Körpers ist: egal ob eine Rakete oder ein Gasatom: die Fluchtgeschwindigkeit ist immer dieselbe!

Bisher haben wir uns mit den Grundlagen der Vorgänge am Anfang der Sternentstehung beschäftigt. Jetzt stehen zwei physikalische Grundkräfte im Vordergrund, die in der späteren Entwicklung eines Sterns und für das Verständnis der Kernfusion wichtig sind.

Elektrostatische Kraft zwischen Atomkernen

Bei einer Kernfusion verschmelzen die Kerne von Atomen miteinander und setzen dabei eine enorme Energie frei. Atomkerne sind elektrisch positiv geladen, denn sie enthalten Protonen, die eine positive Elementarladung tragen (ca. 1,6 * 10-19 C). Zur Erinnerung: Atomkerne bestehen im Allgemeinen aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Nur das Wasserstoffatom besitzt kein Neutron, sondern ausschließlich ein Proton. Heliumkerne haben jeweils zwei Protonen und Neutronen, Kohlenstoffatome jeweils sechs, Sauerstoffatome jeweils acht etc.

Coulomb'sches Gesetz

Coulomb’sches Gesetz der elektrostatischen Anziehungs- bzw. Abstoßungskraft FCoulomb zweier elektrischer Ladungen (q1, q2) im Abstand r; ε0: Dielektrizitätskonstante. Anziehung bei ungleichen, Abstoßung bei gleichen Ladungsvorzeichen.

Elektrische Ladungen können generell positiv oder negativ sein. Sie können sich anziehen oder abstoßen: abstoßen, wenn die beiden Ladungen gleiches und anziehen, wenn sie ungleiches Vorzeichen haben. Atomkerne stoßen sich also aufgrund ihrer jeweils positiven Ladung ab. Und das nicht zu knapp!

Die elektrostatischen Kräfte werden durch das Coulomb’sche Gesetz beschrieben. Das Gesetz besagt, dass sich zwei Ladungen umso stärker anziehen bzw. abstoßen, je größer ihre Ladung und je kleiner ihr Abstand ist. Genauer: verkleinert sich der Abstand, steigt die Abstoßungs- bzw. Anziehungskraft quadratisch an.

Das Gesetz hat große Ähnlichkeit mit dem Newton’schen Gravitationsgesetz (gleiche Abstandabhängigkeit; statt der Masse taucht die Ladung der beiden Körper auf). Allerdings ist die Stärke der Kraft um viele Größenordnungen größer als die Gravitationskraft. Die Gravitationskraft zwischen zwei Protonen ist 36 (!) Größenordnungen schwächer als die Coulombkraft. Diese sehr starke abstoßende Kraft gilt es zu überwinden, wenn Atomkerne verschmelzen sollen. Und das Problem wird noch größer, wenn man bedenkt, dass sich Atomkerne näher als etwa 1 fm (Femtometer, 10-15 m) kommen müssen, um einen neuen Kern zu bilden. Denn das entspricht in etwa dem Durchmesser eines Atomkerns. Das bedeutet, dass man die Gewichtskraft von 2 Tafeln Schokolade aufbringen muss um ein einziges Protonenpaar auf Atomkerndurchmesser zusammen zu bringen!!! Die Tatsache, dass Atomkerne existieren und stabil sind, zeigt, dass es im Femtometer-Bereich eine Kraft geben muss, die die Bestandteile der Atomkerne zusammen hält und verhindert, dass die Protonen eines Kerns wieder auseinander fliegen.

Starke Kernkraft

Dies ist die sog. „Starke Kernkraft“, auch Starke Wechselwirkung genannt. Sie ist eine der 4 physikalischen Grundkräfte (Gravitation, Coulombkraft, schwache Kernkraft, starke Kernkraft). Sie wirkt bei Abständen im Bereich weniger fm sehr stark anziehend – stärker als die Coulombkraft abstoßend wirkt. Bei ca. 2,5 fm (2,5 * 10-15 m) sind Abstoßung durch Coulomb- und Anziehung durch Kernraft gleich groß. Bei größeren Abständen überwiegt die abstoßende Colombkraft, bei kleineren die anziehende Kernkraft. Schafft man es also, Protonen auf weniger als 2,5 fm anzunähern, kommt eine Bindung der Protonen zustande. Das Problem: man muss es trotz der Coulomb-Abstoßung erst mal auf diese extrem kleinen Abstände bringen! Wie das bei der Kernfusion geschieht, wird im vierten Teil dieser Beitragsreihe beschrieben.

Nachdem in diesem Beitrag wichtige physikalische Grundlagen der Sternentstehung vorgestellt wurden, geht es im nächsten Teil der Reihe um die Bedingungen, unter denen die Sternentstehung ihren Anfang nimmt.