Die Frage des Monats

Willkommen bei einer neuen Rubrik von StarChild! Jeden Monat werden wir an dieser Stelle eine häuftig gestellte Frage beantworten.

Die Fragen aus vergangenen Monaten könnt Ihr in unserem Archiv finden.

Die Frage:

Liebes StarChild,
Warum scheint die Sonne?

Die Antwort:

Sun

Eine einfache Antwort ist, daß tief im Sonneninnern genügend Protonen mit einer so hohen Geschwindigkeit zusammenstoßen, daß sie dabei miteinander verschmelzen und ein Heliumkern bilden. Bei diesem Vorgang wird eine gewalltige Menge Energie frei. Diesen Vorgang bezeichnet man als Kernfusion. Jede Sekunde verwandelt unsere Sonne dabei 4 Millionen Tonnen in Wärme und Energie.

Die Details

Unsere Sonne liefert unserer Erde seit 4,5 Milliarden Jahren eine konstannte Menge Licht und Wärme. Aber welcher Mechanismus liefert diese Energie über einen solch langen Zeitraum? Im 19. Jahrhundert glaubten die Wissenschaftler, daß die Sonne ihre Energie durch chemische Reaktionen bezieht. Jedoch zeigten Berechnungen, daß ein Stern mit Hilfe von chemischen Energiequellen nur ein paar Tausend Jahre "leben" kann. In der Mitte des 19. Jahrhunderts kamen die beiden Physiker Lord Kelvin und Hermann von Helmholtz auf die Idee, daß die Sonne unter dem enormen Gewicht ihrer äußeren Schichten zusammengedrückt wird und daher langsam schrumpfen müßte. Wird ein Gas zusammendgedrückt, so steigt seine Temperatur. Kelvin und Helmholtz behaupteten, daß sich die Sonnenmaterie soweit aufheizen könnte bis sie sie anfängt, Energie und Wärme in das Weltall abzustrahlen. Dieser Prozeß findet in der Tat bei sehr jungen Sternen - sogenannte Protosternen - statt. Dieser Prozeß kann den Stern vielleicht ein paar hundert Millionen Jahre lang mit Energie versorgen - aber niemals mehrere Milliarden Jahre lang.

Einen Hinweis zur Lösung dieses Problems lieferte im Jahre 1905 Albert Einstein mit seiner Speziellen Relativitätstheorie. Einstein zeigte, daß Masse in Energie umgewandelt werden kann und umgekehrt. Dieser Zusammenhang wird durch die Gelichung

E = mc2

ausgedrückt. E ist die Energie (gemessen in Joule), die frei wird, wenn man einen Körper mit der Masse m (gemessen in Kilogramm) in Energie umwandelt. c ist die Lichtgeschwndigkeit, gemessen in Meter pro Sekunde. 1920 schlug der britsche Astronom Arthur Eddington vor, daß sie Sonne und auch alle anderen Sterne ihre Energie durch Kernreaktionen erzeugen. Hans Bethe erkannte, daß durch den Zusammenstoß von schnellen Protonen genug Energie frei wird, um die Leuchtkraft der Sonne zu erklären. 1938 stellten Bethe und seine Kollegen eine Theorie vor, nachder Protonen zu Helium verschmolzen werden. Dabei wird genügend Energie frei, um die Sonne 10 Milliarden Jahre scheinen zu lassen. Duch diesen sogenannten Proton-Proton-Zyklus erzeugt die Sonne 98% ihrer Energieproduktion. Bethe bekam für seine Arbeit über die Energieerzeugung der Sterne 1967 den Nobelpreis für Physik

Noch mehr Details:

Unsere Körper, die Erde und auch die Sterne bestehen aus den gleichen chemischen Elementen. Um zu verstehen, warum Sterne leuchten, müssen wir zuerst etwas über die kleinen Teilchen wissen, aus denen die Materie besteht. Seit vielen Jahren schon untersuchen die Wissenschaftler den Aufbau der Materie in ihren Laboratorien. Dabei haben sie herausgefunden, das die Materie aus verschiedenen Arten von Atomen besteht, wie z.B. aus Wasserstoffatome, Kohlenstoffatome und Eisenatome. Jedes Atom besteht weiterhin aus einer bestimmten Anzahl von noch kleineren Teilchen, die Protonen, Neutronen und Elektronen genannt werden. Protonen und Neutronen bilden den sogenannten Atomkern. Um diesen Kern herum kreisen die Elektronen. Atome sind sehr klein. Etwa 100 Millionen Atome aneinander gereiht würden nur eine Strecke von einen Zentimeter ergeben!

Das einfachste und auch das leichteste Atom ist das Wasserstoffatom. Sein Kern besteht aus nur einen einzigen Proton, um den nur ein elektron kreist. Wasserstoffatome sind die häufigsten Atome im Universum

Helium ist das zweitleichteste Atom. Es besteht aus einem Kern, der zwei Protonen und zwei Neutronen enthält. Um diesen Kern kreisen zwei Elektronen. Einen Heliumkern kann man erzeugen, indem man Protonen mit einer so hohen Wucht zusammenprallen läßt, daß sie miteinander verschmelzen ("Fusionieren", wie der Fachmann sagt).

Hitze und Druck im Zentrum der Sonne sind so hoch, daß Protonen, die zusammenstoßen, miteinander verschmelzen. Wenn vier Protonen zusammenstoßen erhält man zwei Protonen, zwei Neutronen, zwei Positronen und Energie. Ein Positron hat Ähnlichkeit mit einem Elektron, aber seine Ladung ist positiv. (Zur Erinnerung: Protonen sind positiv geladen , Elektronen sind negativ geladen und Neutronen haben gar keine Ladung.)

Die Stadien des Proton-Proton-Zyklus. Klick auf ein Bild, um es vergrößert zu sehen.

Woher kommt der überschüssige Energiebetrag? Einstein sagte uns daß E=mc2 gilt. Diese Gleichung besagt, daß jeder Massenverluß (m) zu einem Auftauchen von Energie (E) führt. c ist die Lichtgeschwindigkeit. Sie beträgt 300000 km/Sekunde. Ein Heliumkern ist nur 99,3% so schwer wie vier Protonen. Die fehlende Masse wird in Energie umgewandelt. Dies ist die energie, die einen Stern scheinen läßt und die verhindert, daß er unter seiner eigenen Schwerkraft zusammenbricht.

Erzeugt die Umwandlung so einer kleinen Masse wirklich genug Energie, um die Sonne leuchten zu lassen? Immerhin hat die Sonne eine Leuchtkraft von 390 000 000 000 000 000 000 000 000 Watt. Die Antwort: Es reicht aus - Du kannst es ja nachrechnen!


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StarChild ist ein Service des "High Energy Astrophysics Science Archive Research Center" (HEASARC),  Direktor: Dr. Nicholas E. White, innerhalb des "Laboratory for High Energy Astrophysics" (LHEA) bei der NASA/ GSFC.

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Technische Unterstützung: Sherri Calvo


Übersetzt mit freundlicher Genehmigung von Dr. Laura A. Whitlock.
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