Die Physik der Sterne

Aufbau, Entwicklung und Eigenschaften

verfasst von: Mathias Scholz

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

Inhaltsverzeichnis

Über dieses Buch

In diesem Buch finden Sie einen umfassenden Einstieg in die physikalischen Eigenschaften von Sternen und deren Zustandsgrößen. Der aktuelle Wissensstand zu Sternaufbau und –entwicklung wird hier zusammengefasst und ein Blick auf spannende offene Fragen der Astrophysik geworfen.

Interessierte Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften aber auch Abiturienten, Dozenten, Lehrkräfte und nicht zuletzt auch Amateurastronomen finden in diesem Buch eine wertvolle Übersicht über die Physik der Sterne. Mitzubringen ist dafür nur das mathematisch-physikalische Rüstzeug, welches nicht über das Grundwissen zur Integral- und Differentialrechnung hinausgeht. In dieser Hinsicht soll dieses Buch auch eine Brücke schlagen zur heute im Internet verfügbaren Fachliteratur, um diese mit Gewinn lesen zu können.

Der erste Teil zeichnet die historische Entwicklung nach, an deren Ende ein detailliertes Verständnis der Natur der Sterne und ihrer Lebensläufe möglich war. Das Ziel der folgenden Kapitel besteht in einem pragmatischen Einstieg in die physikalischen Prozesse, welche den Aufbau und die Entwicklung der Sterne in Abhängigkeit ihrer Basisgrößen wie Masse und chemische Zusammensetzung determinieren. Es wird gezeigt, was man aus der Analyse des Sternenlichts über die Sternatmosphären in Erfahrung bringen kann, welche fundamentale Rolle der Virialsatz im Leben der Sterne spielt und welche kernphysikalischen Prozesse tief im Innern der Sterne die Energie liefern, die sie erstrahlen lassen. Zum Abschluss wird noch ein ausführlicher phänomenologischer Blick auf die Endstadien der Sternentwicklung geworfen. Dort werden Materiezustände besprochen, die weit von einer experimentellen Realisierbarkeit entfernt sind, deren Eigenschaften sich aber – unterlegt durch entsprechende theoretische Vorstellungen –zumindest prinzipiell aus der Beobachtung konkreter Objekte wie Weiße Zwerge oder Neutronensterne erschließen lassen. Gerade hier sind in Zukunft noch viele aufregende Entwicklungen zu erwarten.

In der zweiten Auflage wurde das Buch gründlich überarbeitet und aktualisiert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Eine kurze Geschichte der Erforschung der Sterne

Zusammenfassung

Die Sterne am Himmel galten seit je dem Menschen als ein Beispiel für Unvergänglichkeit und Unerreichbarkeit. Es hat sicherlich nachvollziehbare Gründe, dass die frühesten überlieferten Reflexionen der Menschheit etwas mit Göttern zu tun haben, die häufig im Himmel angesiedelt und oft durch Himmelskörper wie Sonne, Mond und Wandelsterne repräsentiert werden. Viele der ersten Religionen (und der Religionen vieler noch heute existierender Naturvölker) waren das, was die Theologen gern als „Astralreligionen“ bezeichnen: Religionen, die den gestirnten Himmel als von Göttern erfüllt ansahen, deren Wirken direkten Einfluss auf das menschliche Schicksal hat oder es lenkend beeinflusst.

Mathias Scholz

Kapitel 2. Was kann man an Sternen beobachten?

Zusammenfassung

Es gibt auf den ersten Blick nur relativ wenige Parameter eines Sterns, die direkt der Beobachtung zugänglich sind. Neben der Position am Himmel sind das Entfernung, Eigenbewegung und Radialgeschwindigkeit, die scheinbare Helligkeit in verschiedenen Wellenlängenbereichen, der Polarisationsgrad der Strahlung und die „Sternfarbe“, ausgedrückt durch einen Farbenindex. Dazu kommen noch der Spektraltyp und natürlich das Sternspektrum selbst. Manche Größen wie scheinbare Helligkeit, Radialgeschwindigkeit (z. B. bei pulsierenden Sternen), Farbindex und Spektraltyp können sich dabei zeitlich ändern, sodass Zeitreihen von diesen Größen eine weitere wichtige Informationsquelle darstellen.

Mathias Scholz

Kapitel 3. Sternspektren und Sternatmosphären

Zusammenfassung

Sternspektren spiegeln die physikalischen Bedingungen in der dünnen Schicht wider, in der ein Stern im optischen Spektralbereich quasi „durchsichtig“ wird. Diese Schicht wird gewöhnlich als Photosphäre bezeichnet und ist sozusagen der sichtbare Teil einer Sternatmosphäre. Die gesamte Sternatmosphäre, die auch äußere, im optischen Spektralbereich völlig durchsichtige Teile umfasst (bei der Sonne beispielsweise Chromosphäre und Korona, bei bestimmten Sternen auch abgestoßene Hüllen und dichtere Teile von „Sternwinden“), kann man sich am besten als Übergangsregion zwischen dem quasi-undurchsichtigen Plasma des Sterninneren und dem interstellaren Medium vorstellen. Nur dieser Bereich, der lediglich das \(\approx 10^{ - 10}\)-Fache der Masse eines Sterns beinhaltet, ist der direkten Beobachtung zugänglich. Schon die Erdatmosphäre ist – wenn man sie mit der Größe der Erde vergleicht – nur eine extrem dünne Schicht. Bei Sternen ist das Verhältnis von Photosphärenmächtigkeit zu Sternradius noch viel extremer.

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Kapitel 4. Innerer Aufbau der Sterne

Zusammenfassung

Bis vor wenigen Jahrzehnten noch war für den beobachtenden Astronomen das Innere eines Sterns so etwas wie eine „Black Box“, abgeschirmt vor den neugierigen Augen der Astronomen durch eine im Vergleich zum Durchmesser nur hauchdünne Photosphäre. Was sich darunter verbarg, ließ sich nur mittels theoretischer Überlegungen – und zwar mit durchaus großem Erfolg – erschließen. Über den durch Irrungen und Wirrungen gepflasterten Weg hin zu einer logisch konsistenten physikalischen Theorie des inneren Aufbaus der Sterne und der Sternentwicklung wurde bereits im ersten Kapitel dieses Buches ausführlich berichtet.

Mathias Scholz

Kapitel 5. Nukleare Energieerzeugungsprozesse und Elementesynthese

Zusammenfassung

Es ist durchaus bemerkenswert, dass man bereits im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts eine in sich plausible und in Bezug auf die wahren Verhältnisse schon recht gute Theorie des Sternaufbaus entwickeln konnte, – und zwar ohne etwas Konkretes über die Energiefreisetzungsmechanismen in Sternen zu wissen (s. Kap. 1 und (Eddington 1988)). Erst seit 1925 erkannte man, dass die Sonne zum größten Teil aus Wasserstoff besteht und alle anderen Elemente (mit Ausnahme von Helium) nur geringe Beimengungen der Sternmaterie darstellen (Payne 1925a). Zu diesem Zeitpunkt war die Spezielle Relativitätstheorie Albert Einsteins bereits Allgemeingut unter den Physikern geworden und jeder konnte ausrechnen, wie viel Energie beispielsweise in einem Kilogramm „Masse“ enthalten ist.

Mathias Scholz

Kapitel 6. Evolution der Sterne

Zusammenfassung

Schon Heraklit wusste: „Alles fließt“. Dem schien der für den Menschen immer gleichbleibende Sternenhimmel entgegenzustehen, denn er galt bis in die Neuzeit hinein als Inbegriff des wahrhaft Unveränderlichen. Erst mit dem Aufkommen der Astrophysik im 19. Jahrhundert begann man zu erahnen, dass die Vielfalt der Sterne, festgemacht an ihrer Leuchtkraft und Temperatur, in Wirklichkeit das Abbild eines Gemischs von Sternen unterschiedlichen Alters und unterschiedlicher Masse ist, die heute unsere Milchstraße besiedeln.

Mathias Scholz

Kapitel 7. Endstadien der Sternentwicklung

Zusammenfassung

Das Jahr 1915 brachte eine Entdeckung, die in den Folgejahren zu vielen kontroversen Diskussionen führen sollte. Denn sie zeigte, dass es im Kosmos offensichtlich extrem dichte Materiezustände geben muss, für die es damals nicht einmal Ansätze für eine Erklärung gab. Diese Entdeckung gelang Walter Sydney Adams (1876–1956) am Mt. Wilson-Observatorium und betraf die Farbe des Sirius-Begleiters – sie war nämlich nicht, wie angenommen, rot, sondern blauweiß, was bedeutet, dass dieser Stern eine ähnlich hohe effektive Temperatur besitzen muss wie Sirius selbst.

Mathias Scholz

Backmatter

Titel: Die Physik der Sterne
verfasst von: Mathias Scholz
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-69496-1
Print ISBN: 978-3-662-69495-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-69496-1