1953 — Sandage, Schwarzschild und das Rätsel der Sternentwicklung

In den früher 1950er Jahren untersuchte der junge amerikanische Astronom Allan Rex Sandage am Mt. Palomar Observatorium im Rahmen seiner Doktorarbeit den Kugelsternhaufen M3. Er arbeitete für ein Projekt von Martin Schwarzschild, einem Experten für den Aufbau und die Entwicklung von Sternen. Ziel des Projekts war die Altersbestimmung von Kugelsternhaufen. Dafür musste man verstehen wie Kugelsternhaufen sich im Laufe der Zeit entwickeln.

Kugelsternhaufen sind mehr oder weniger kugelförmige Ansammlungen von Sternen, die durch gegenseitige Massenanziehung (Gravitation) eng aneinander gebundenen sind. Die Anzahl ihrer Sterne reicht von rund 100.000 bis zu einigen Millionen. Die Kugelsternhaufen umkreisen auf konzentrischen Bahnen — ohne bevorzugte Orientierung im Raum — das Zentrum unserer Milchstraße und auch der meisten anderen Galaxien.

Kugelsternhaufen zählte man schon damals mit zu den ältesten Objekten im Weltall. Gelang es ihr Alter herauszufinden, so kannte man auch das Mindestalter des gesamten Weltalls.

Die ganz überwiegende Anzahl aller Sterne in Kugelsternhaufen gehören zu den relativ kleinen und kühlen, daher nur rotglühenden Sternen der Population-II. Innerhalb der Kugelsternhaufen findet man kaum Gas- und Staubwolken, so daß sich hier keine neuen Sterne bilden können. Offenbar wurden Gas und Staub schon vor langer Zeit bei Sternengeburten nahezu vollständig verbraucht.

In den Armen der Spiralgalaxien findet man dagegen viele heiße und blauleuchtende Sterne der Population I, eingebettet in Gas- und Staubwolken. Ständig werden neue Sterne gebildet, so daß sich die Sternpopulation der Spiralgalaxien laufend erneuert.

Sandage erstellte für seine Doktorarbeit ein Hertzsprung-Russel-Diagramm (HRD) einer großen Anzahl von Sternen des Kugelsternhaufens M3. Dabei kam ein Diagramm heraus, wie er es noch nie zuvor gesehen hatte. Die Hauptreihe des HRD brach mittendrin ab und endete schon oberhalb der gelben Zwergsterne. Dann folgte ein Knick nach rechts oben, hin zu einem Ast roter Riesensterne. Sandage fand keine Erklärung für dieses seltsame Diagramm. Er hatte gelernt, daß alte Sterne rötlich erscheinen, da sie auf der Hauptreihe von links oben nach rechts unten gewandert waren. Mit einem Knick in der Hauptreihe konnte er so nichts anfangen.

Doch Schwarzschild hatte schon seinerzeit ganz andere Ideen über die Sternentwicklung. Für ihn stand fest, daß es die eigene Schwerkraft (Eigengravitation) eines Sternes war, die letztendlich alle Kernfusionsprozesse in seinem Inneren anfachte, denn nur sie sorgte dort für den notwendigen hohen Druck und damit auch für ausreichende Temperaturen. Wenn das so war, dann musste es logischerweise auch einen direkten Zusammenhang zwischen der Masse eines Sternes und seiner Kernfusionsrate geben. Ein massereicher Stern lebte intensiver, aber kürzer als ein massearmer Stern, denn infolge seiner höheren Kernfusionsrate verbrauchte er seinen Kernbrennstoff wesentlich schneller.

Als Schwarzschild nun das rätselhafte Hertzsprung-Russel-Diagramm von M3 zu sehen bekam, passte für ihn alles perfekt zusammen.

Die Hauptreihe spiegelte nicht die unterschiedlichen Stadien der Sternentwicklung wider, sondern die unterschiedlichen Ausgangsmassen der Sterne.

Massereiche Sterne erschienen hell und blauweiß (oben links auf der Hauptreihe), massearme Sterne dagegen leuchteten nur schwach und erschienen rötlich (unten rechts auf der Hauptreihe). Mit zunehmendem Alter einer Sternpopulation verließen immer mehr Sterne die Hauptreihe des Hertzsprung-Russel-Diagramms, je nach dem wie schnell ihr Kernbrennstoff zur Neige ging. Es begann mit den massereichen blauweißen Sternen der Spektralklassen O und B, es folgten die Spektralklassen A,F und G (hellgelbe und gelbe Zwergsterne), dann die Spektralklasse K (orangene Zwergsterne) und ganz zum Schluß die massearmen roten Zwergsterne der Spektralklasse M.

Im Kugelsternhaufen waren alle Sterne in etwa zur selben Zeit entstanden und brannten dann nach und nach aus. Neue Sterne konnten ja nicht mehr entstehen, weil es an den dafür notwendigen Mengen an Gas und Staub fehlte. Der Grund für den Abruch der Hauptreihe war somit ganz einfach: Da Kugelsternhaufen schon sehr alt waren, waren die massereicheren Sterne längst ausgebrannt und hatten die Hauptreihe verlassen. Sie bildeten den Ast der roten Riesen oberhalb der Abknickstelle. Die auf der Hauptreihe noch verbliebenen Sterne waren umso masseärmer sein, je älter der Kugelsternhaufen bereits war. Wenn es gelang, den genauen zeitlichen Entwicklungsgang der Sterne in Abhängigkeit von ihrer Masse zu berechnen, so war es möglich das Alter eines Kugelsternhaufens aufgrund ihres Hertzsprung-Russel-Diagramms zu bestimmen. Daraus ließ sich die Masse der Sterne ablesen, welche direkt unterhalb der Abknickstelle der Hauptreihe lagen. Deren Alter entsprach dann auch das Alter des Kugelsternhaufens.

Schwarzschild und Sandage versuchten nun die Sternentwicklung in Abhängigkeit von der Masse bis zum Stadium des roten Riesen zu berechnen. Mit den vergleichsweise langsamen Computern der damaligen Zeit war das eine sehr zeitraubende Angelegenheit.

Der Stern wurde bei den Berechnungen als eine Anordnung von übereinanderliegenden dünnen Kugelschalen betrachtet. Mit dem Radius als Variable beschrieben mehrere Differentialgleichungen den Stern: Zwei Gleichungen für die Schichtung des Druckes infolge der Eigengravitation und die Verteilung der Masse, eine weitere Gleichung für die Energiebilanz und damit auch die Leuchtkraft und dann noch eine Gleichung für die Temperaturschichtung. Hinzu kamen noch Gleichungen, welche die Wechselwirkungen darstellten. So sind beispielsweise Druck, Dichte und Temperatur eng miteinander gekoppelt; die Energieerzeugung hängt von der Temperatur und Dichte ab, und ob die Energie durch Strahlung oder Konvektion transportiert wird, ist eine Frage der Opazität (Strahlungsduchlässigkeit) in der jeweiligen Materieschicht.

Damit hatte man aber erst den Zustand des Sternes zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt ausgerechnet. Um aber die Sternentwicklung zu verstehen, musste man diese Zustandrechnung für beliebig viele ananandergereihte Zeitpunkte wiederholen. Die Ergebnisse einer einzelnen Berechnung gingen dabei in die jeweils nachfolgende Berechnung mit ein.

Nach dem Modell von Schwarzkopf und Sandage finden die Kernfusionsreaktionen (Wasserstoffbrennen) in einem Stern nur innerhalb des Kernbereichs statt, weil nur hier Druck und Temperatur ausreichend hoch sind. Sterne sind nicht voll konvektiv, wie bis dahin angenommen, sondern untergliedern sich in Kern und Hülle zwischen denen kaum Materie ausgetauscht wird. Der Energietransport nach außen geschieht deshalb nicht durch Konvektion sondern durch Strahlung. Der Strahlungsdruck sorgt gleichzeitig für ein inneres Gleichgewicht im Stern, da er der Eigengravitation des Sternes entgegenwirkt, welche ansonsten den Stern in sich zusammenstürzen lassen würde. Erst knapp unterhalb der Sternoberfläche funktioniert der weitere Energietransport dann über eine konvektive Schicht.

Infolge des (fast) fehlenden Stoffaustausches zwischen Kern und Hülle bei einem nichtkonvektiven Stern wird kein neuer Kernbrennstoff aus darüberliegenden Schichten nachgeliefert, wenn im Kern der Wasserstoff verbrannt wird. Ist der Kernbrennstoff schließlich aufgebraucht, so erlischt das Wasserstoffbrennen im Kern und der Strahlungsdruck lässt sofort nach. Unter dem ungeheuren Druck der nun überwiegenden Eigengravitation verdichtet sich das Innere des Sternes und wird dabei immer heißer. Bei dem Schrumpfungsprozeß des Kerns werden enorme Mengen an (potentieller) Gravitationsenergie in Form von intensiver Strahlung freigesetzt. Hinzu kommt häufig noch die Strahlung durch das Schalenbrennen des Wasserstoffs. Dazu kommt es, wenn in der Kugelschale direkt oberhalb des erloschenen Kernes, wo ja noch reichlich Wasserstoff vorhanden ist, Dichte und Temperatur soweit ansteigen, daß das Wasserstoffbrennen (also die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium) zünden kann.

Unter der Einwirkung starken Strahlung aus dem Inneren des Sterns bläht sich die Sternhülle gewaltig auf. Dabei verteilt sich die Strahlungsenergie auf eine überproportional anwachsende Oberfläche. So wird pro Fläche weniger Energie abgestrahlt, die Oberfläche des Sterns kühlt ab, und der Stern erscheint nunmehr rot. Als roter Riese verläßt er die Hauptreihe des Hertzsprung-Russel-Diagramms. Aufgrund des enormen Strahlungsdrucks und der deutlich verringerten Oberflächengravitation verliert der Stern erhebliche Mengen an gasförmiger Materie. Diese wird durch die vom Stern ausgehende Strahlung ionisiert und erscheint dann als ein in vielen Farben prächtig leuchtender “planetarischer“ Nebel. Der Stern selbst schrumpft nach dem Aufbrauchen aller nuklearen Brennstoffreserven unter der Wirkung seiner Eigengravitation auf einen Durchmesser von nur einigen Tausend Kilometern zusammen. Dabei steigen die Oberflächentemperaturen zunächst stark an und der Stern erscheint weiß. Dieser weiße Zwergstern kühlt dann langsam aus.

Schwarzschild und Sandage ermittelten für unterschiedliche Ausgangsmassen jeweils den Zeitpunkt, wo der Stern die Hauptreihe verlässt und zu einem roten Riesen wird. Damit konnten sie nun das ungefähre Alter von Kugelsternhaufen ermitteln und damit auch auf das Mindestalter des Universums schließen. Schwarzschild und Sandage kamen auf einen Wert von mindestens 3,2 Milliarden Jahren.

Sandage verfolgte aber noch eine weitere Strategie, um das Alter des Universums zu ermitteln. Ausgehend von der Rotverschiebung der meisten Galaxien konnte man auf die Geschwindigkeit schliessen, mit der sie sich voneinander entfernten. Das war ja eine der entscheidenden Entdeckungen Hubbles gewesen (s.o.). Rechnete man mit einer ausreichenden Anzahl von Galaxienrotverschiebungen zurück zu dem theoretischen Zeitpunkt, an dem sie noch alle in einem Punkt vereint waren, also zurück zu dem Zeitpunkt, wo die Expansion des Universums einsetzte, so kam man auf ein ungefähres Alter von 4 Milliarden Jahren. Problematisch war auch hier natürlich die Entfernungsbestimmung der Galaxien unabhängig von der Rotverschiebung, welche für die Kalibrierung der Entfernungsskala unabdingbar war. Bei großen Entfernungen gab es dabei große Unsicherheiten. Schon Hubble hatte sich damit herumgeschlagen.

Mit zwei vollkommen unterschiedlichen Methoden hatte war es aber trotzdem erstmals gelungen, einen konkreten Hinweis auf das tatsächliche Alter des Universums zu finden. Die dabei gefundenen Ergebnisse lagen mit >3,2 bzw. 4 Milliarden Jahren größenordnungsmäßig überraschend eng beieinander. Damit war nicht unbedingt zu rechnen gewesen. Das Universum war zwar sehr alt, aber eben nicht unendlich alt. Bei aller gegebenen Vorsicht konnte man das als Durchbruch in der Kosmologie ansehen. Im Jahre 1954 wurde in der Presse ausführlich über die Arbeiten von Schwarzschild und Sandage berichtet.

Inzwischen geht man aufgrund einer mehrfach erfolgten Neukalibrierung der Entfernungsskala mit immer weiter verbesserten Methoden von einem 12–15 Milliarden Jahre alten Universum aus.

Jens Christian Heuer

Quellen: Das Echo des Urknalls: Kernfragen der modernen Kosmologie (engl.: Lonely Hearts of the Cosmos: The Story of the Scientific Quest for the Secret of the Universe), Dennis Overbye; A study of the globular cluster M3, Allan Sandage (1953); The first 50 years at Palomar: 1949–1999 The Early Years of Stellar Evolution, Cosmology, and High-Energy Astrophysics, Allan Sandage; Wikipedia