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Die Episode über den Überriesen Beteigeuze und die Entwicklung massereicher Sterne

CL024 Beteigeuze Superstar - Über das Leben von Überriesen

Die Episode über den Überriesen Beteigeuze und die Entwicklung massereicher Sterne

Dieser Beitrag nimmt am Wettbewerb Fast Forward Science 2024 teil. #FFSci #AudioAward

Einleitung

Wir starten das neue Jahr mit spannenden News von Enceladus.

Blausäure auf Enceladus

Auf dem sechstgrößten Mond des Saturns, Enceladus, wurden durch die Auswertung alter Cassini-Daten (Cassini-Huygens war eine Mission zweier Raumsonden zum Saturn und seine Monden von 1997 bis 2017) Blausäurespuren entdeckt. Blausäure ist zwar ein tödliches Gift, aber auch eine wichtige Vorbedingung für die Entstehung von Leben! Enceladus ist von einem dicken Eispanzer umhüllt, unter dem man aber flüssiges Wasser vermutet. Aus dem Eispanzer schießen riesige Eisfontänen, in denen man bereits zuvor organische Moleküle gefunden hatte, ins All. Die Blausäure ist zwar noch kein Hinweis auf Leben, aber man versteht immer besser, wie sich dort komplexe Biomoleküle bilden könnten. Eva merkt an, dass die Saturnmonde heiße Kandidaten für spannende Entdeckungen sein werden!

True Crime Astronomy: Verschwundene Sterne

Es kommt immer wieder vor, dass Lichtpunkte in unserem Nachthimmel einfach verschwinden. Sie werden also beobachtet und sind dann aber nicht mehr zu finden. Das Projekt Vasco (Vanishing and Appearing Sources during a Century of Observations) hat sich zur Aufgabe gemacht, diese "vermissten" Sterne zu katalogisieren und zu untersuchen. Zigtausende Sterne wurden untersucht. Bei manchen waren es nur Kamerafehler, andere wurden von Molekülwolken verdeckt. Aber bei circa 100 Objekten fand man keine logische Erklärung für ihr Verschwinden. Es gibt jedoch einige Erklärungsversuche: Sind die Sterne an ihr Lebensende gekommen? Supernovae wären jedoch zu beobachten gewesen. Eine weitere Erklärung ist der Gravitationslinsen-Effekt, wodurch manche Objekte temporär heller erscheinen. Oder waren es gar Außerirdische, die eine Dyson Sphäre gebaut haben? Der britisch-US-amerikanische Physiker Freeman Dyson formulierte bereits in den 1960er Jahren die Vermutung, dass hochentwickelte Zivilisationen die Möglichkeit haben könnten, einen Stern vollständig mit einer Schalenkonstruktion (zb mit Einzelhabitaten) zu umgeben, um ihre Energiegewinnung zu optimieren, der nach ihm benannten Dyson-Sphäre. Dadurch könnte das Licht des Sterns abgeschirmt werden, wodurch er für uns "verschwindet". Diese Erklärung wird aber als unwahrscheinlich angenommen.

Beteigeuze: Ein Sternenleben

Der Stern Beteigeuze, auch bekannt als α Orionis (obwohl er der zweithellste Stern im Sternbild ist) und international als Betelgeuse, hat seinen Namen aus dem Arabischen yad al-ǧauzāʾ, was „Hand der Riesin” bedeutet. Der ursprüngliche arabische Name wurde schon im 10. Jahrhundert vom Astronomen Abd ar-Rahman as Sufi verwendet; irgendwann im Mittelalter wurde das yad als bad übersetzt zu “Bait al Dschauza”, und so wurde aus der Hand die "Achsel der Riesin".

Beteigeuze ist mit freiem Auge am Nachthimmel gut sichtbar. Er ist der rötlich leuchtende linke „Schulterstern“ im Sternbild Orion.
Obwohl er 640 Lichtjahre weit weg ist, sehen wir seine rötliche Farbe, was darauf schließen lässt, dass er “kühler” ist. Mit einer Oberflächentemperatur von 3450 Kelvin hat er nur etwa die Hälfte der Temperatur unserer Sonne.
Aber er ist erheblich heller! Die Oberflächentemperatur bestimmt die Lichtmenge, die pro Einheitsfläche abgestrahlt wird, d.h. dass heißere Sterne mehr strahlen pro Fläche als kühlere; Für Beteigeuze bedeutet das, dass wir ihn deshalb so gut sehen weil er so groß ist. Und er ist mit 900 Sonnenradien tatsächlich groß! Im Millimeterwellenbereich ist er 1400 mal so groß wie die Sonne. Die Sonne würde ein halbe Mrd. mal hineinpassen und würde man ihn in unser Sonnensystem an die Stelle der Sonnen setzen, würde er bis zur Jupiterbahn reichen! Beteigeuze verändert zudem seine Helligkeit. Mit einer Periode von etwa 2070 Tagen wird er ein wenig heller und dunkler.

Astronomisch gesehen ist er ein Roter Überriese und somit schon quasi am Ende seines kurzen Lebens, und das obwohl er erst 10 Millionen Jahre alt ist.

Im Hertzsprung-Russel Diagramm (HRD) befindet sich die Überriesen rechts oben.
Das HRD ist ein grundlegendes Werkzeug in der Astronomie, das verwendet wird, um die Eigenschaften von Sternen zu klassifizieren und zu verstehen. Es zeigt die Beziehung zwischen der Leuchtkraft (oder absoluten Helligkeit) von Sternen und ihrer Oberflächentemperatur (oder Farbe). Das Diagramm hilft, die Lebenszyklen von Sternen zu verstehen. Sterne bewegen sich auf diesem Diagramm, während sie altern. Ein Stern wie unsere Sonne wird beispielsweise eines Tages die Hauptreihe (das diagonale Band in der Mitte; hier befinden sich Sterne im Gleichgewicht und verbringen und die meiste Zeit ihres Lebens) verlassen und sich zu einem Roten Riesen entwickeln, bevor sie zu einem Weißen Zwerg (unten im Bild) wird.

Beteigeuze hat die Hauptreihe bereits verlassen. Er hat seinen Vorrat an Wasserstoff aufgebraucht und fusioniert bereits Helium und Kohlenstoff. Durch diese neue Energiequelle dehnte sich Beteigeuze noch stärker aus.

Um seine Entwicklung zu verstehen, sehen wir uns die Entwicklung von massereichen Sternen an. Denn ob ein Stern zu einem Überriesen wird hängt von seiner Masse ab: nur Sterne mit einer anfänglichen Masse, die mindestens 8-10 Mal größer ist als die Masse unserer Sonne, entwickeln sich zu Überriesen. Diese hohe Masse ermöglicht es dem Stern, nach dem Verbrauch seines Wasserstoffvorrats im Kern schwerere Elemente zu fusionieren. Massereiche Sterne entwickeln sich in frühen Stadien noch ähnlich wie massearme Sterne aber viel schneller und ihre Kerne erreichen extrem hohe Temperaturen besonders am Ende ihrer Entwicklung. Dadurch fusionieren sie nacheinander immer schwerer Elemente bis alle Energiequellen aufgebraucht sind. Ein Stern wird zu einem Überriesen in einer späten Phase seines Lebens, nachdem er die Hauptreihe des Hertzsprung-Russell-Diagramms verlassen hat - was Beteigeuze bereits getan hat. Er nähert sich dem Ende seines Lebenszyklus. Aufgrund des Mangels an Helium, Kohlenstoff und anderen fusionierbaren Atomen in seinem Kern wird seine Energieproduktion bald aufhören. Dies führt dazu, dass der Stern unter seiner eigenen Gravitationskraft kollabiert und eine gigantische Explosion, eine Supernova, auslöst - Orion muss dann ohne Schulter auskommen.

Im astronomischen Sinne bedeutet "bald" jedoch, dass dieses Ereignis noch einige Tausend Jahre in der Zukunft liegen könnte. Aufgrund der Entfernung von 640 Lichtjahren zu Beteigeuze könnte die Explosion allerdings auch bereits stattgefunden haben. Wenn wir es jetzt sehen würden, wäre das vor einem halben Jahrtausend passiert, so lange braucht das Licht zu uns.

Das Endschicksal von Überriesen hängt ebenfalls von ihrer Masse ab. Während die massereichsten Überriesen nach einer Supernova zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch kollabieren, werden weniger massereiche Überriesen zu einem Weißen Zwerg, wobei ihre äußeren Schichten in den Weltraum abgestoßen werden.

Ist das Ende nah?

Im Dezember 2019 erlebte Beteigeuze eine ungewöhnliche Veränderung: Er begann, merklich dunkler zu werden. Für Astronom:innen war dies besonders interessant, da Beteigeuze zwar für seine variierende Helligkeit bekannt ist, aber eine so rasche und starke Verdunkelung bisher nicht beobachtet wurde. Dieses Phänomen gab Rätsel auf und zog die Aufmerksamkeit auf sich. Eine umfassende Beobachtungskampagne brachte Licht in die Angelegenheit: es stellte sich heraus, dass Beteigeuze, regelmäßig große Mengen an Material aus seinen äußeren Schichten ins All schleudert - sozusagen Sternenstaub. Dieser Sternenstaub ist allerdings von großer Bedeutung für das Universum. Er besteht aus komplexen Molekülen und chemischen Verbindungen, die von einem Stern wie Beteigeuze am Ende seines Lebenszyklus in den Weltraum geschleudert werden. Dieser Staub dient wiederum als Grundmaterial für die Bildung von Planeten und Asteroiden. Tatsächlich sind die chemischen Elemente, aus denen wir und unsere Welt bestehen, einst im Inneren von Sternen wie Beteigeuze entstanden und wurden als Sternenstaub in das All ausgestoßen.

Quellen und weiterführende Links:

Astrodicticum Simplex: Das Rätsel um die Dunkelheit von Beteigeuze ist gelöst.

Andromedagalaxie.de: Beteigeuze

Spektrum.de: Könnte der Riesenstern Beteigeuze bereits explodiert sein?

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