Aus Atomen werden Sterne

Sternentstehung in der Galaxie Dreickesnebel. Quelle: hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2003/30/image/a/

Wollen Sie das erste Kapitel der Weltgeschichte in zwei Sätzen zusammenfassen, könnte das so klingen: Durch die Ausdehnung des Raumes nach dem Urknall sank die Temperatur immer weiter. Aus hochenergetischer Strahlung wurden zunächst winzige Teilchen wie Elektronen und Protonen und dann immer größere Strukturen wie Atomkerne und schließlich Atome.

Auf dem langen Weg zu einer komplexen Welt bildeten sich zunächst die leichten Elemente - so nennt man die Familien der Atome deren Kerne eine gleiche Anzahl von Protonen besitzen. Wasserstoff ist so ein Element. (Wasser dagegen ist ein Molekül aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom.) Sein Atomkern besteht nur aus einem Proton und die Atomhülle aus einem Elektron. Beim Helium bilden zwei Protonen und zwei Neutronen den Kern und zwei Elektronen die Hülle. Als drittes Element kamen noch Spuren von Lithium mit seinen drei Protonen und drei Neutronen im Kern hinzu.

Das Universum bestand nun aus einem Gemisch dieser leichten Gase. Es war gleichförmig und doch nicht völlig homogen, so wie ein Grießbrei, in dem gleichmäßig verteilte, schlecht aufgelöste Bröckchen schwimmen. An solchen Orten mit etwas höherer Dichte ballte sich die Materie durch die Naturkraft der Gravitation zusammen, während sich der umgebende Raum entsprechend leerte. Wegen des Gegensatzes aus diesen zunehmenden Verdichtungen und der fortschreitenden Ausdehnung des übrigen Weltalls kam es zu einer Drehbewegung der materiereichen Orte. Aus sich zusammenziehenden Gasbällen wurden die ersten Sterne. Diese heißen Kugeln ähnelten unserer Sonne, nur waren sie viel größer und es fehlten ihnen die kühlen Planeten unseres Sonnensystems.

Schon im jungen Universum waren solche Sterne nicht gleichmäßig verteilt, sondern in Haufen oder rotierenden Scheiben von Milliarden solcher Sterne zu Galaxien vereinigt. Galaxien finden sich ihrerseits zu Gruppen zusammen, die dann aber durch riesige Räume des weitgehend leeren Weltalls getrennt werden. Auch die Milchstraße, unsere galaktische Heimatadresse, die als einen von mehr als 100 Milliarden Sternen unsere Sonne enthält, ist eine Galaxie. Von außen können wir sie zwar nur in Science Fiction - Filmen anschauen, aber weil ihr Aufbau unserem Nachbarn, dem Andromeda-Nebel so ähnlich ist, dürfte sie in etwa das gleiche Aussehen haben. Andromeda kann man (mit einem Feldstecher oder besonders guten Augen) am Nachthimmel beobachten. Weil er durch das Teleskop ein bisschen an einen rotierenden Kraken erinnert, nannte man seine Ausläufer „Arme“ und den Galaxietyp Spiralnebel.
Auch unsere Milchstraße gehört zu diesen Spiralgalaxien, die man als Scheibe mit einer zentralen Auftreibung beschreiben kann. Wenn Sie in einer klaren Nacht den Himmel beobachten, gehört alles, was sie außer Andromeda sehen können, zur Milchstraße. Ihr schmales, milchig weißes Band aus Sternen entsteht, weil Sie dann tief in die Scheibe aus Milchstraßensternen hineinschauen. Blicken Sie in eine andere Richtung, sehen Sie die uns direkt benachbarten Sterne und schauen darüber hinaus in die gewaltige Leere des unsere Galaxie umgebenden Weltalls. Schon die Entfernungen innerhalb der Milchstraße sind gewaltig. Wären wir mit der unerreichbaren Lichtgeschwindigkeit von knapp 300.000 Kilometern pro Sekunde unterwegs, benötigten wir zu unserem Nachbarstern Alpha Centauri 4,3 Jahre. Die Reisestrecke einmal längs durch die Milchstraße beträgt etwa 100.000 Lichtjahre und Andromeda ist 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt. Im Universum gibt es wahrscheinlich mehr als 100 Milliarden Galaxien.  Bildungsblitz

Die Verteilung der Galaxie-Gruppen im All ist erstaunlich gleichmäßig. Ursache dafür dürfte die atemberaubende Expansion des Universums in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall gewesen sein (s.o.). Diese Inflationsphase kann erklären, warum das junge Universum aus so weitgehend homogener Materie bestand, in der in schöner Regelmäßigkeit Verdichtungen auftraten, die dann später zu Sternen und Galaxien wurden. Die extrem kurze aber immense Inflation strich alle Unebenheiten in genau passendem Ausmaß glatt. Wäre das Universum danach zu klumpig geblieben, wäre es an diesen Verdichtungsstellen schon frühzeitig kollabiert. Wäre es dagegen zu glatt geraten, hätten niemals Sterne entstehen können. Eine trübe Suppe aus Strahlung und Elementarteilchen würde sich für alle Zeiten weiter verdünnen.
Die inflationäre Phase wird allerdings von manchen Astronomen schon deshalb bezweifelt, weil man nicht genau weiß, was sie wieder abbremste, aber auch, weil sie so verdächtig maßgeschneidert für die weitere Entwicklung des Universums erscheint. Dennoch ist die Inflation zum Bestandteil des kosmologischen Standardmodells geworden.

Das Standardmodell ist eine kosmologische Theorie, ihr Thema ist die physikalische Lebensgeschichte des Universums. Es geht zum einen um die Grundkräfte und winzigen Elementarteilchen, zum anderen aber auch um die großräumige Organisation und Entwicklung des Alls - also um das Verhalten von Planeten, Sonnen, Schwarzen Löchern und Galaxien. Der Stein der Weisen liegt in der theoretischen Vereinigung von Makro- und Mikrokosmos – die bis heute nicht gelungen ist. Das Modell wird von Wissenschaftlern in aller Welt ständig hinterfragt und überarbeitet.

Für das nächste Kapitel der kosmischen Biographie müssen Sie gedanklich zu den oben genannten ersten Sternen zurückkehren. Weil sie viel größer als unsere Sonne waren, konnten sie etwa 100 Millionen Jahre nach dem Urknall die wesentlichen Voraussetzungen für die Entstehung des Lebens im Weltall schaffen. Wie gesagt, es gab zu diesem Zeitpunkt nur die leichten Elemente wie Wasserstoff, Helium und Lithium und noch keine anderen Planeten. In diesen stellaren Prototypen wurden nun die schwereren Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff - und damit zusammen mit Wasserstoff die wesentlichen Lebensbausteine - aber auch Schwefel, Eisen oder Uran erbrütet. Die große Masse dieser ersten Sternengeneration sorgte dafür, dass sie sich durch die Gravitationskraft immer weiter zusammenzogen. Dabei wurden Wasserstoff- und Heliumatome so stark aneinandergedrückt, dass sie die Abstoßung ihrer positiven Kerne überwanden. Durch diesen Fusionsprozess entstanden neue Atomkernsorten, die mehr Protonen enthielten und damit schwerer waren. Einmal zusammengedrückt blieben diese neuen Gebilde stabil, weil die Teilchen unter den Einfluss der starken Kernkraft gerieten. Diese Kraft wirkt nur über eine sehr kurze Strecke - dafür aber so intensiv, dass sie die Protonen, die sich wegen der gleichen positiven Ladung abstoßen, im Atomkern zusammenhalten kann. Zusammen mit Neutronen, welche den Kern stabilisieren und Elektronen, die aus der Umgebung eingefangen wurden, entstanden so die übrigen Elemente, die zusammen mit den leichten Atomsorten die Bausteine unserer heutigen Welt abgeben. Die Atome eines Elementes besitzen nicht nur die identische Anzahl von Protonen, sie haben auch die gleichen chemischen Eigenschaften. Das liegt daran, weil zu jedem Proton exakt ein Elektron gehört. Deren Anzahl und Anordnung in der Atomhülle entscheidet darüber, wie Atome miteinander wechselwirken und ob sie sich zum Beispiel zu größeren Einheiten - den Molekülen - verbinden.
Bei der Explosion einer Wasserstoffbombe kann man beobachten, welche gewaltige Energie bei der Fusion von Wasserstoffkernen frei wird. Während sich die Riesensterne durch die Massenanziehung der Gravitation immer weiter zusammenzogen, fachten sie die Kernfusion der Atome in ihrem Inneren immer weiter an. Schließlich explodierten Milliarden solcher Ursonnen und katapultierten die ausgebrüteten schwereren Elemente in gewaltigen Blitzen in das All.

 

Kommentare

tosi
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Warum funktioniert denn die Kernfusion zur Energiegewinnung nicht?

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