Einer der von den Astronomen am meisten geschätzten Momente ist die Dämmerung. Wenn die Sonne untergeht, verdunkelt sich der Himmel, und die ersten Sterne sind zu sehen. Zuerst sind es nur zwei oder drei, aber im Laufe der Minuten werden es immer mehr; die ersten sind die hellsten Sterne der Nacht, die letzten die schwächsten. Aber die Sterne unterscheiden sich nicht nur durch ihre Helligkeit. Wenn die Nacht fortschreitet und der Himmel sich verdunkelt, werden wir, wenn wir genau hinsehen, rote, weiße und blaue Sterne sehen… Sterne haben Farben, und wenn wir etwas über sie lernen, können wir uns auf eine faszinierende Reise durch ihr Leben begeben.
In diesen ersten Frühlingswochen ist es leicht, das Sternbild Orion zusammen mit Canis Major und Taurus kurz nach Sonnenuntergang zu finden. Auf den ersten Blick scheinen die Sterne die gleiche Farbe zu haben, aber wenn wir einen dunklen Himmel aufsuchen und einen zweiten Blick darauf werfen, werden wir unterschiedliche Farben feststellen. Sirius (im Canis Major) ist weiß, Rigel (der rechte Fuß des Orion) ist blau, Aldebaran (im Taurus) ist orange und Betelgeuse (die linke Schulter des Orion) ist rot.
Im Haus des Astrophysikers sind die Hähne umgekehrt
Die Tatsache, dass es Sterne in verschiedenen Farben gibt, ist nicht nur eine Kuriosität. Die Farbe liefert eine grundlegende Information für die Astrophysik von Sternen – die Oberflächentemperatur des Sterns. Die heißesten Sterne sind blau und die kältesten rot, im Gegensatz zur Verwendung von Farben in der Kunst und in unserer täglichen Erfahrung. Deshalb wird oft gesagt, dass im Haus des Astrophysikers die Hähne umgekehrt sind: Blau steht für heiß und Rot für kalt.
Die Morgan-Keenan-Sternklassifizierung basiert auf den Farben der Sterne, die von den blauesten (energiereichsten) Sternen bis zu den roten (schwächsten) reichen, und zwar über die Typen O B A F G K M. Als Gedächtnisstütze wird oft der Satz „Oh Be a Fine Girl(Guy), Kiss Me“ verwendet, um uns daran zu erinnern – ein klassischer Witz in Fakultäten auf der ganzen Welt, in denen Astrophysik gelehrt wird.
Die Sternklassifizierung gibt normalerweise auch die absolute Helligkeit der Sterne an. Es ist wichtig, dieses „normalerweise“ zu relativieren, da wir später einige Ausnahmen sehen werden. Blaue Sterne sind in der Regel die hellsten und rote Sterne die schwächsten. Erfahrene Beobachter werden jedoch in der Nacht rote Sterne sehen, die heller sind als weiße oder blaue Sterne. Wie ist das möglich? Bei der Beobachtung von der Erde aus ist zu bedenken, dass die Sterne unterschiedlich weit entfernt sind. Ein roter Stern, der schwach leuchtet, aber sehr nahe ist, scheint also heller zu leuchten als ein blauer Stern, der viel weiter entfernt ist.
Neben der Temperatur und der Helligkeit gibt die Farbe in der Regel – mit der gleichen Einschränkung – auch die Größe eines Sterns an: die heißesten und energiereichsten blauen Sterne sind in der Regel größer und die roten kleiner.
Ein Sterndiagramm
Da die Astronomen Ejnar Hertzsprung und Henry Norris Russell wussten, dass man anhand der Farbe eines Sterns seine Oberflächentemperatur abschätzen kann und in der Regel auch seine Helligkeit und Größe kennt, haben sie diese Merkmale in ein Diagramm eingetragen, das heute als Hertzsprung-Russell-Diagramm bekannt ist und das sie beide unabhängig voneinander um 1910 entwickelten.
In diesem H-R-Diagramm ordnet die vertikale Achse die Sterntypen vom schwächsten bis zum hellsten Stern, während die horizontale Achse sie vom wärmsten bis zum kältesten Stern ordnet, wobei Temperatur, Farbe und Sternklassifikation berücksichtigt werden. Das Ergebnis ist eine diagonale Gruppierung, die die Sterne nach diesen Merkmalen ordnet: Dieser Teil des Diagramms wird als Hauptreihe bezeichnet.
Die meisten Sterne befinden sich in der Hauptreihe. Sie leuchten dank der Kernfusionsreaktionen in ihrem Kern, die Wasserstoff in Helium umwandeln. Diese Sterne befinden sich in einem Stadium, in dem sie reif sind und den größten Teil ihres aktiven Lebens verbringen. Übertragen auf den Menschen wäre die Hauptreihe das Stadium vom Teenager bis zum Eintritt in den Ruhestand. Unsere Sonne scheint sich in der Mitte dieser Lebensspanne zu befinden: Sie ist ein gelber Stern des mittleren G-Typs.
Das Periodensystem der Sterne
Sterne können Milliarden von Jahren leuchten, aber nichts ist von Dauer. Der Brennstoff, den sie für Kernreaktionen verwenden, ist begrenzt und geht irgendwann zur Neige. Wenn es keinen Wasserstoff mehr gibt, der verbrannt werden kann, setzt die Heliumfusion ein, die jedoch im Gegensatz zur vorherigen Stufe viel energiereicher ist. Dies führt dazu, dass Sterne, die das Ende ihres Lebens erreichen, auf das Tausendfache ihrer ursprünglichen Größe anschwellen und zu Riesen werden. Die Ausdehnung führt auch dazu, dass sie an ihrer Oberfläche Wärme verlieren, da sie mehr Energie auf eine größere Fläche verteilen müssen, weshalb sie sich rot färben. Diese roten Riesensterne bilden eine Ausnahme und befinden sich im oberen rechten Teil des Diagramms, der so genannten Roten-Riesen-Zone.
Die roten Riesen halten nicht lange durch (in stellaren Maßstäben) und verbrauchen schnell den wenigen Brennstoff, den sie noch haben. Wenn dies geschieht, gehen dem Stern die Kernreaktionen in seinem Inneren aus, die ihn früher am Leben hielten; die Schwerkraft zieht dann an seiner gesamten Oberfläche und lässt den Stern zu einem Zwerg schrumpfen. Durch diese brutale Kompression wird die Energie gebündelt und die Temperatur der Oberfläche erhöht sich, so dass die Helligkeit des Sterns radikal zu weiß wird. Der Leichnam eines Sterns wird als Weißer Zwerg bezeichnet. Diese Sternleichen sind eine weitere Ausnahme von der Hauptreihe und befinden sich unten links im Diagramm.
Zu den größten Errungenschaften der Wissenschaft gehört zweifellos das Periodensystem der Elemente. Man könnte sagen, dass das Hertzsprung-Russell-Diagramm das Periodensystem der Sterne ist. In seiner vollständigen Form mag es ein wenig wie ein seltsamer und deformierter Regenbogen aussehen; wenn wir jedoch wissen, wie es zu lesen ist, können wir erkennen, wie die verschiedenen Farben der Sterne mit ihrer Temperatur, Größe, Helligkeit und Lebensphase zusammenhängen, und zwar in einer geordneten und eleganten Weise verteilt. Es ist eine wunderbare Schatzkarte für Astronomie-Fans: der Schlüssel zum Sprung in eine andere Dimension, sowohl im Wissen über den Kosmos als auch in der Fähigkeit, die Schönheit des Firmaments zu genießen.