Genesis 2.0 - Schöpfungsbericht modern

Sterne

 

Etwa 700000 Jahre nach „es werde Licht!“ war das Universum endlich kalt genug, dass die Gravitationsenergie der Masse, die sich in den Nebelfeldern gesammelt hatte, die thermische Energie, die sie auseinander trieb überwiegen konnte. In heißen Gasen bewegen sich die Teilchen nämlich schneller als in kalten, deshalb dehnen sich heiße Gase aus.

Die Gravitation ist die Kraft, die Massen aufeinander ausüben. Sie sorgt dafür, dass sich Massen gegenseitig anziehen. So sorgt die große Erde dafür, dass wir mit den Füßen auf ihr stehen bleiben, anstatt ins Weltall davon zu schweben. Auch wir üben eine Anziehungskraft auf die Erde aus, aber diese ist im Vergleich zur Gravitation eines Planeten natürlich verschwindend gering.

 

Die bislang beste Erklärung der Gravitation liefert die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein (5). Danach ist die Gravitation mit der Krümmung des Raumes und der Zeit verbunden und ist somit ein grundlegendes Phänomen, das alle physikalischen Vorgänge beeinflusst.

Für uns verständlich gemacht wird sie oft so: Man stellt sich den Raum als Gummimatte vor, auf der die Massen von Sonnen und Planeten als schwere Metallkugeln liegen. Sie bilden Dellen (also Raumkrümmungen), die dafür sorgen, dass Massen die nahe beieinander liegen zusammenrollen oder solche, die sich schnell auf der Matte bewegen, durch die Dellen von ihrer Bahn abgelenkt werden. Planeten die sich im Raum ja auch schnell bewegen (die Erde rast mit etwa 30 km/s in einem Jahr einmal um die Sonne), werden auf Kreisbahnen um ihre den Raum stark krümmenden Sonnen gezwungen.

Die Gravitationskraft ist proportional zur Masse eines Objektes, aber sehr schwach, so dass sich die Gravitationskraft, die z. B. zwischen zwei Menschen wirkt, nicht messen lässt. Die Anziehungskraft, die Menschen aufeinander ausüben, hat andere Gründe.

Warum sich riesige, rotierende Gaswolken bildeten, die durch die Gravitation zu Galaxien wurden, weiß nur Gott. Wahrscheinlich stießen zwei Wasserstoffwolken aufeinander und durchmischten sich, dabei wurde irgendwie eine erste Rotation angestoßen. Nachdem eine solche Rotation angestoßen war, reichte die Gravitation aber aus, dass aus den leichten Verdichtungen von dunkler Materie und Wasserstoffgas sogenannte Protogalaxien entstanden.

 

Was genau dunkle Materie ist, ist den Physikern auch heute noch vollkommen unklar. Aber die Materie, die wir sehen, die unsere Sterne, Planeten und auch uns selbst bildet, macht im Universum offenbar nur einen Bruchteil der Materie und der gesamten Energiedichte aus. Energiedichte bedeutet neben Materie auch Strahlung und Magnetfelder.

Dunkle Materie sendet kein Licht aus und absorbiert auch keines. Sie leuchtet nicht, egal in welchem Wellenlängenbereich man misst und zeigt keine magnetischen Eigenschaften. Ihre Anwesentheit macht sich ausschließlich über ihre Schwerkraftwirkung bemerkbar.

Erste Hinweise auf so etwas wie Dunkle Materie wurden in den 30ger Jahren des 20ten Jahrhunderts gefunden (Fritz Zwicky, 1933).

Normalerweise würde man nach den kepplerschen Gesetzen erwarten, dass die Arme der Spiralgalaxien bei großen Zentrumsabständen langsamer rotieren, ähnlich wie auch im Sonnensystem die äußeren Planeten langsamer um die Sonne laufen als die inneren.

Das tun sie aber nicht. Das kann aber nur sein, wenn in der Milchstraße viel mehr Masse vorhanden ist, als wir sehen und messen können. Daraus wurde geschlossen, dass am äußeren Rand der Galaxien Masse vorhanden sein muss, die man nicht sehen kann. Und nicht zu wenig. Berechnungen gehen von einem mindestens 5fachen Überschuss an dunkler gegenüber sichtbarer Materie aus.

Andere Theorien sprechen von einer rätselhaften Eigenschaft des Raumes, die als Nebenprodukt die Gravitation hätte, das letzte Wort ist noch nicht gesprochen.

 

Die ersten Protogalaxien bildeten sich vor etwa 14 Milliarden Jahren. Dabei sammelte sich der Großteil des Wasserstoffgases im Inneren der Protogalaxie, die dunkle Materie in ihrer Peripherie. Das kam dadurch, dass das Wasserstoffgas einen Teil seiner Energie durch Wechselwirkung mit dem umgebenden Gas abgeben und als Infrarotstrahlung aussenden konnte. Dadurch verlor es Energie und konnte durch die Gravitation enger zusammengezogen werden.

Dunkle Materie hingegen wechselwirkt nicht so, deshalb blieb sie in den Außenbezirken der Galaxien. Aus was genau dunkle Materie besteht ist aber, weil sie nicht so wechselwirkt, dass es messbar ist, nicht geklärt. Sie bildete aber so eine Art Gravitationsfalle, in der sich Sterne und Galaxien überhaupt erst ausbilden konnten.

Im Inneren der Protogalaxie stießen die Wasserstoffgaswolken zusammen. Dadurch verstärkten sich die Verdichtungen in ihnen. An den Stellen des Zusammenstoßes entstanden durch den Kompressionsschock mehr oder weniger abgegrenzte Gaskugeln. Sie werden als Protosterne bezeichnet.

 

Diese Protosterne hatten noch eine sehr große Ausdehnung, etwa 1000 mal die Entfernung Erde Sonne. Sie waren also eher Wolken als Kugeln.

 

Aber einmal angestoßen, verdichtete sich das Gas immer weiter. Es kreiselte in das Innere der Wolke. Dabei entstanden Magnetfelder, die die Wolke weiter aufheizten. Nach weiteren 100000 Jahren hatten die Protosterne sich so verdichtet und aufgeheizt, dass im Zentrum eine Temperatur von etwa 10 Millionen Grad herrschte. Das ist die Temperatur bei der Fusionsprozesse, also die Verschmelzung von Wasser­stoffatomen zu Helium unter Gewinnung von Energie, zündeten.

Vorher wurde die bei der Zusammenballung entstehende Wärme an den Staub weiter außen abgeführt. Das funktionierte aber nur, solange die Dichte des Sterns einen kritischen Punkt nicht überschritt. Dann versagte der Kühlungsprozess durch die Wärmeabfuhr nach außen und die Wasserstoffmoleküle wurden in Atome gespalten.

Wasserstoff kommt in der Natur nämlich nicht frei, sondern immer als Molekül aus zwei Wasserstoffatomen oder als Verbindung mit anderen Elementen vor, die damals allerdings noch nicht existierten.

Die beiden Wasserstoffatome teilen sich im Wasserstoffmolekül ihre beiden Außenelektronen. Damit können sie nach außen hin so tun, als wären sie dem Helium, also einem Edelgas gleich. Das ist energetisch günstiger, als allein zu bleiben.

 

Die Bildung von Molekülen nennt man deshalb auch das Streben nach der Edelgaskonfiguration. Edelgase sind nämlich sehr reaktionschwach und die Atome dieser Gase bleiben gerne für sich allein. Das Streben genau nach diesem reaktionsschwachen Zustand ist die treibende Kraft hinter den meisten chemischen Reaktionen.

Wenn die Temperatur und damit die Energie der Atome aber zunimmt, dann spielt die energetisch günstigere Verbindung für das Atom keine Rolle mehr. Es muss sich stärker bewegen und wird von seinem Partner losgerissen. Bei einer Temperatur von etwa 10 Millionen Grad beginnt schließlich der Fusions­prozess.

Wasserstoffatome bestehen aus Protonen, die ein Elektron in ihrer Hülle tragen. Der Atomkern ist also positiv geladen. Unter normalen Umständen stoßen sich aber gleiche Ladungen ab. Diese abstoßende Kraft wird als Coulombkraft bezeichnet.

 

Das heißt, zwei Protonen würden sich normalerweise nie so nahe kommen, dass sie miteinander verschmelzen können. Wenn man allerdings zwei Protonen nahe genug zusammenbringt, dann überwiegt die anziehende starke Kernkraft die abstoßende elektrische Kraft und es wird für die Kerne energetisch günstiger sich zusammen zu tun.

Im Kern der frühen Sterne kamen sich, durch die ungeheure Gravitationskraft und die durch die Hitze verursachte schnelle Bewegung der Protonen, einige so nahe, dass sie zusammen stießen. Dann verwandelte sich eines oder sogar zwei unter Abstrahlung je eines Elektrons zu einem Neutron. Das heißt, ein up-Quarks kann unter Abstrahlung eines Positrons (Antiteilchen eines Elektrons) und eines Elektronneutrinos zu einem down-Quark werden.

Was wiederum die Frage nach der inneren Struktur eines Quarks stellt und wie diese Teilchen doch verwandt sind? Bis jetzt weiß niemand darauf eine Antwort.

 

Die entstandenen Protonen und Neutronen klebten durch die starke Kernkraft aneinander fest und bildeten zusammen Deuterium oder Tritium, also schweren Wasserstoff. Aus diesem schweren Wasserstoff konnte dann durch Einfangen eines weiteren Protons Helium entstehen.

Die Bindungsenergie pro Kernbaustein (Nukleon) in Abhängigkeit von der Masse ist bei Heliums niedriger als in Wasserstoff, bei dem sie bei Null liegt. Deshalb wird die Differenz als Energie frei.

Und zwar viel Energie (3,4·10 hoch 8 MJ/kg), die den Stern weiter aufheizt oder als Licht und Wärme abgestrahlt wird.

 

Damit wurde es 180 Millionen Jahre nach dem Urknall tatsächlich „Licht“.

 

Um eine Vorstellung von der Zeitspanne zwischen Urknall und ersten Sternen zu bekommen, gehen wir einmal kurz 180 Millionen Jahre von heute zurück. Vor 180 Millionen Jahren befand sich die Erde geologisch im Jura-Zeitalter. Vor 180 Millionen Jahren zerbrach der Superkontinent Pangäa, der schon der zweite Superkontinent der Erdgeschichte war, in den Nordkontinent Laurasia und den Südkontinent Gondwana. Der Nordkontinent bildete später Nordamerika, Europa und Asien,...