Astronomische Arbeitsgemeinschaft Mainz e. V.

Newsletter März 2018 - Kosmische Fragen & Antworten I

Albireo, ein optischer Doppelstern im Schwan, Palomar Observatory/STScI/WikiSky

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Warum haben Sterne unterschiedliche Farben?

von Jan-David Förster

In unserer Reihe „Ko(s)mische Fragen & Antworten“, möchten wir ab jetzt Ihren Besucherfragen nachgehen. Bei abendlichen Führungen werde ich oft gefragt „Warum sind nicht alle Sterne weiß?“ und meine Antwort lautet meist kurz: „Weil Sterne unterschiedlich heiß sind.“ Heute möchte ich es aber einmal genau erklären. Zwei Fakten gleich vorweg: Es geht hier nicht um die Szintillation, das Flackern der Sterne, welches manche Sterne bunt tanzend am Himmel erscheinen lässt. Die Farbe der Sterne hat auch rein gar nichts mit dem Doppler-Effekt zu tun, auch wenn ein namhaftes Online-Portal kürzlich das Gegenteil behauptete. Ich hoffe, Sie und ich stimmen darin überein, dass Sterne strahlen.
Sie strahlen deshalb, weil in ihnen geladene Teilchen schwingen, d.h. eine periodisch ändernde Beschleunigung erfahren und bei dieser Schwingung Strahlungsenergie abgeben, ähnlich einer Pendeluhr, die Energie durch Reibung "verliert" und in Wärme umwandelt. Die Energie, die aus der Kernfusion im Zentrum eines Sterns stammt, stößt diese "Pendel" jedoch immer wieder neu an. Die so abgegebene Strahlung nennen wir im Allgemeinen Licht, welches aus kleinen Energiepaketen besteht, die wir heute ganz selbstverständlich Quanten nennen. Bis dahin, war es in der Physik jedoch ein weiter Weg.

Noch einmal: Licht wird also dann erzeugt, wenn geladene Teilchen, meist sind damit Elektronen gemeint, zu Schwingungen angeregt werden und dadurch Energie in Form von elektromagnetischen Feldern verlieren.

Die Intensität des so abgegebenen Lichts ist jedoch nicht über alle Wellenlängen gleich, sondern folgt bestimmten Gesetzmäßigkeiten. Um diese und damit die Farben der Sterne zu verstehen, müssen wir den Begriff des „Schwarzen Strahlers“ einführen. Er bezeichnet in der Physik einen Körper, welcher sämtliche auf ihn auftreffende Energie absorbiert. Seine Temperatur steigt dabei nicht unbegrenzt an, da der Strahler entsprechend seiner Temperatur auch Energie abstrahlt, sodass sich ein thermodynamisches Gleichgewicht ausbildet. Im Gleichgewicht nimmt der Schwarze Strahler ebenso viel Energie auf wie er emittiert. Diesen Körper gibt es in der Natur nicht, jedoch verhalten sich Sterne in guter Näherung so. Die Beschreibung des Schwarzen Strahlers ist das zentrale Problem der Physik in der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts und gelang erst durch Max Planck im Jahr 1900, das Jahr, welches die Geburtsstunde der Quantenphysik markiert.


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Plancks Ansatz läutete einen Paradigmenwechsel in der Physik ein. Er postulierte, dass eine Anregung von Elektronen nur dann möglich ist, wenn sie ein bestimmtes Energiepaket E oder ganzzahlige Vielfache n=[1..∞] davon erhalten.

Diese kleinen Energiepakete nannte Planck Quanten (lat. quantum "wie groß", "wie viel"). Die Energie eines Quants hängt von seiner Frequenz ν und einer Konstanten h ab. Diese Konstante bezeichnet man als Planck'sches Wirkungsquantum, da seine Einheit [Js] als Wirkung bezeichnet wird. Es besitzt ungefähr den Wert 6,626 · 10-34 J ·s. Nach Planck kann ein Quantenobjekt mit der Frequenz ν also Energie in Form von Quanten der Energie hν aufnehmen und zwar braucht das Objekt (z.B. ein Elektron) mindestens die Energie hν, sonst wird es gar nicht angeregt! Diese Energie darf nicht größer sein als die vom Schwarzen Strahler zur Verfügung gestellte Energie. Anders ausgedrückt: Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron beliebig hohe Schwingungsfrequenzen erreicht, ist null, aber je höher die Temperatur eines Schwarzen Strahlers ist, desto mehr Elektronen schwingen auch mit hohen Frequenzen, da mehr Energie bereitgestellt wird als bei niedrigerer Temperatur. Es handelt sich bei der Energieverteilung des Schwarzen Strahlers also um eine Wahrscheinlichkeitsverteilung. Diese Verteilung wird durch das Planck'sche Strahlungsgesetz ausgedrückt.

Anhand des Kurvenverlaufs (hier dargestellt als Schar mit der Ortskurve durch alle Maxima) lässt sich der Sachverhalt anschaulicher darstellen. Je höher die Temperatur wird, desto mehr kurze Wellenlängen (= hohe Frequenzen) können angeregt/ emittiert werden (Das Maximum der Funktion verschiebt sich bei höherer Temperatur nach links) und desto höher ist die abgestrahlte Leistung (Fläche unter der Kurve).


Was hat das jetzt alles mit der Farbe der Sterne zu tun?

Da sich Sterne, wie oben erwähnt, in Näherung wie Schwarze Strahler verhalten, lässt sich über ihr Intensitätsmaximum ihre tatsächliche Oberflächentemperatur bestimmen. Abbildung 3.1.3 zeigt die Planck-Kurven der Temperatur 3000 K, 5000 K und 7000 K (0 °C = 273 K) im sichtbaren Bereich. Die Farbe eines Sterns mischt sich nun aus dem gesamten Spektrum, deshalb gibt es übrigens auch keine grünen Sterne.

Gut zu sehen ist hier auch die temperaturabhängige Verschiebung des Intensitätsmaximums. Sterne, die am Himmel blau erscheinen, sind also wesentlich heißer als solche, die rötlich strahlen. Diese Temperaturunterschiede reichen von blauen Überriesen mit bis zu 30000 K zu den kühlen roten Riesen mit nur noch 2600 K.

Warum Sterne jedoch überhaupt unterschiedliche Temperaturen haben, das ist eine andere Geschichte, die mit der Sternentwicklung zusammenhängt und die wir Ihnen z.B. am Astronomietag in unserer Sternwarte erzählen möchten.

Quelle:
J.-D. Förster, Grundlagen der elementanalytischen Sternspektroskopie, Facharbeit am Gymnasium bei St. Anna, Augsburg, 2008


Der Große Orionnebel, Wiege der Sterne, Dr. Otmar Nickel

Astronomietag am 24. März 2018

Das geheime Leben der Sterne

Am deutschlandweiten Astronomietag, am 24. März 2018, öffnet unsere Sternwarte in Klein-Winternheim bei schönem Wetter ab 19:30 ihre Pforten für Besucher. Der Astronomietag trägt in diesem Jahr das Motto „Das geheime Leben der Sterne“, denn der Sternhimmel bietet Ende März zahlreiche Himmelsobjekte, an denen der Werdegang eines Sterns erläutert werden kann: von der „Geburt“ in gigantischen Gas- und Staubwolken im großen Orionnebel, hin zu den "jungen" Sternhaufen mit den berühmten Plejaden im Stier. Aber auch einzelne Sterne stehen im Fokus, deren unterschiedliche Temperaturen mit eigenem Auge sichtbar sind. Auch das Ende eines Sterns können Besucher beim Blick durch das Teleskop erfahren, bei der Beobachtung Planetarischer Nebel oder des Krebsnebels, einem Supernova-Überrest im Stier.

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