Sternentwicklung, Mars, Venus

Sternentwicklung

Die Entstehung von Sternen ist ein fundamentaler Prozeß während der Entwicklung des

Universums. So werden alle Elemente außer Wasserstoff in Sternen gebildet. Der Kreislauf von Sterngeburt, Sternentwicklung und Sternentod steht in enger Symbiose mit der Entwicklung von Galaxien. Auch unsere eigene Entwicklung ist mit der Problemstellung verbunden, ist doch die Bildung der Sonne ein spezielles Beispiel für den Sternentstehungsprozeß.

Obwohl die Sternentstehung damit zu einem der wichtigsten Grundprozesse der Astrophysik zählt, ist sie immer noch ungenügend verstanden. Zum großen Teil liegt dies an der Komplexität des Problems. Berücksichtigt man Rotation, Magnetfelder, Turbulenz, Eigengravitation, chemische Vorgänge und den Transport von Energie, so wird schnell klar, daß der Prozeß der Entstehung von Sternen keine einfache Implosion einer Gaswolke ist. Jüngste Fortschritte im Bereich der Beobachtungen bei Infrarot- und Radiowellenlängen erlauben uns erstmals einen Blick in die sonst durch dicke Staubschichten verhüllten Geburtsstätten der Sterne und rücken die Entdeckung protoplanetarer Scheiben in greifbare Nähe.

Stern sind keine ewigen Gebilde. Sie entstehen, auch heute noch, leben eine Weile und "sterben". Der Tod kann verschiedene Formen haben: je nach Masse bleibt eine Art "Brauner Zwerg", ein Weißer Zwerg, ein Neutronenstern, ein Schwarzes Loch oder gar nichts übrig.

Sterne entstehen in Gaswolken, die vor allem aus Wasserstoff und Helium bestehen nebst schwereren Elementen, die in der Astronomie der Einfachheit halber dann alle "Metalle" heißen.

Der Trick bei der Sternentstehung besteht darin, das Gas bei einer Kontraktion (contrahere (lat.) = zusammenziehen) nicht erwärmt wird, denn heißes Gas versucht immer, sich auszudehnen. Somit muß das Gas, wenn es nicht immer eine Gaswolke bleiben will, die bei der Kontraktion entstehende Wärme abgeben können, zum Beispiel in Form von elektromagnetischer Strahlung. Typischerweise kann Gas um so besser Energie durch

Strahlung abgeben, je dichter es ist, solange es noch nicht "optisch dicht" ist. Das heißt, solange die Strahlung noch ungehindert entkommen kann.

Hat sich einmal ein überdichter Klumpen in der Gaswolke gebildet, setzt sich die Kontraktion beschleunigt fort. Dabei wird auch Drehimpuls transportiert, so daß der Klumpen sich immer schneller dreht und schließlich eine Scheibe ausbildet. Das ist genau der gleich Effekt, den man bei Eiskunstläufern beobachten kann, wenn sie bei einer Spirale die Arme an den Körper anlegen: Sie drehen sich dann schneller um ihre eigene Achse. Allerdings werden sie nicht zu Scheiben (da sie keine Flüssigkeit sind).

Im Zentrum dieser Pfannkuchen entsteht eine Verdickung, aus der sich ein Protostern formt. Gleichzeitig fällt immer noch Materie ein, zu einem großen Teil auf die Scheibe, in welcher es nach innen transportiert wird. Es kann in der Scheibe auch noch andere prominente Klumpen geben. In diesen Fällen kann ein Doppel- oder

Mehrfachsternsystem gebildet werden. Man glaubt, daß mehr als die Hälfte aller Sterne in Doppel- oder Mehrfachsystemen leben. Bildet sich kein Begleitstern, bilden sich aus dem Material unter Umständen Planeten.

Im Zentralklumpen wird die Dichte im Kern so groß, daß die Wasserstoffusion gezündet werden kann: Somit hat der Stern seine langlebigste Energiequelle erschlossen. Je nach seiner Masse und Zusammensetzung beginnt er sein "normales Sternleben" auf der sogenannten Hauptreihe im Hertzsprung-Russell-Diagramm.

Weiße Zwerge (White Dwarfs, WD) sind das Endstadium der massearmen Sterne. Sie sind von der Größe der Erde, etwa 10000 km im Durchmesser, und haben bis zu 200000 K Oberflächentemperatur. Man unterscheidet die Weißen Zwerge nach ihren Spektren: HeliumWeisse Zwerge zeigen Heliumlinien, Kohlenstoff-Weisse Zwerge die Linien von C.

Nach dem Aufbrauchen des Wasserstoffs im Zentrum der Hauptreihensterne (siehe auch Sternentwicklung entwickelt sich der Vorgängerstern zum Roten Riesen (aufgeblähte Hülle, Wasserstoffusion in einer Schale um den Kern). Je nach Masse kann noch Helium- oder sogar noch Kohlenstoffbrennen einsetzen, bei welchen die Produkte des jeweils vorangegangenen Fusionsprozesses verbrannt werden. Die Zeitdauer dieser Fusionen ist allerdings viel kürzer als beim Wasserstoffbrennen und der Energiegewinn kleiner.

Einige Typen durchlaufen das Stadium Planetarischer Nebel. Dabei wird durch das abrupte Einsetzen des Heliumbrennens im Zentrum (Helium-Flash) die Sternatmosphäre abgeblasen, während der freiliegende Kern kontrahiert und dabei eine Oberflächentemperatur von der Größenordnung 100000 K erreicht. Die ausgesandte Strahlung ist vor allem Ultraviolettes Licht (UV), die die Atome der abgeblasenen Hülle ionisieren und anregen.

Da die Weißen Zwerge außer der Kontraktion durch die Eigenanziehungskraft keine Energiequelle mehr haben, kühlen sie langsam aus und werden dadurch immer leuchtschwächer.

Stabilisiert werden die Weißen Zwerge durch die Elektronenentartung. Anschaulich kann man sich das (vielleicht) so vorstellen: Elektronen sind Fermionen. Fermionen beachten das sogenannte Pauliverbot, welches ihnen sagt, daß nicht mehr als eines von ihnen mit den gleichen Quantenzahlen (was auch immer das jetzt sein mag; man findet mehr darüber in Lehrbüchern der Quantenmechanik, z.B. Nolting, Dawydow, Landau & Lifschitz, Hittmair, etc.) in einer Phasenraumzelle sitzen darf. Wenn alle Phasenraumzellen besetzt sind, kann man das System nicht weiter kontrahieren. Das ist nichts anderes als ein Druck, der nun der Eigengravitation entgegenwirkt.

Venus und Mars

Venus

- zweit nächster Sonnenplanet, Entfernung zur Sonne = 58 Mio. km (= 0,72 AE)
- Umlaufzeit = 225 Tage, Rotationszeit (Radarmessung) = 243 Tage (fast 1 Jahr)
- Drehrichtung = retrograd, d. h. entgegengesetzt zur Umlaufrichtung d. Planeten um d. Sonne; Rotationsachse steht senkrecht zur Bahnebene
- größte westliche und östliche Elongation = 46° · als Morgen-und Abendstern sichtbar, sehr hell strahlend
- mittlere Dichte = 5,2 g/cm³
- Durchmesser _ Erdgröße : 12104 km, Masse = 4,87*10²⁴
- Umlaufgeschwindigkeit v = 35 km/s
- Masse entspricht 0,81x der Erdmassse · Schwerkraft auf Oberfläche = 88%

Erdschwerkraft

- sehr dichte Atmosphäre mit 98% CO2 u. 1-3% N2 mit Spuren von versch. Edelgasen, Luftdruck (Boden)= 20 At
- in untersch. Höhen : sehr dichte Wolkenschichten (30-80 km Höhe), vermutlich aus konz. Schwefelsäure mit ca. ¼ Wasser · verantwortlich f. Undurchsichtigkeit d. Atmosphäre
- Y-Struktur d. Atmosphäre = Wolkenstruktur eines planetenweiten Zirkulationssystems: rotiert in 4-5 Tagen 1x um Planeten · Windgeschwindigkeiten von mehr als 100 m/s - Oberfläche = felsige Wüstenlandschaft, relativ flach mit wenigen Hochplateaus, erloschene Vulkane, Krater, Lavakanäle; Oberflächentemperatur = über 400°C
- 2 große Kontinentalmassen, von weiten Ebenen umgeben · Hinweis auf vulkanische u. tektonische Aktivitäten in Vergangenheit , doch keine genauen Angaben über inneren Aufbau aufgrund unwirtlicher Verhältnisse (schwaches Magnetfeld deutet auf ca. 3600 km dicken Eisenkern hin)
- da Venus zwischen Sonne u. Erde steht, kann sie auch über Sonnenscheibe wandern = Venusdurchgang (nächster am 8. Juni 2004)

Mars

- Entfernung zur Sonne = 228 Mio. km (1,53 AE)
- Umlaufzeit = 687 Tage, Rotationszeit = 24 ½ Stunden
- mittlere Dichte = 3,9 g/cm³
- Durchmesser _ 6880 km, Masse =0,64*10²⁴
- Masse entspricht 0,107x der Erdmasse · Schwerkraft auf Oberfläche = 0,377x Erdschwerkraft
- Umlaufgeschwindigkeit v = 24 km/s
- erdähnlich, Inklination d. Bahnebene = 1,85°, Neigung d. Rotationsachse gegen d. Senkrechte d. Bahnebene =24°28' · 4 Jahreszeiten auf Mars, gleich denen d. Erde
- Oberfläche = rötlich · Vorhandensein von Eisenoxiden, Zusammensetzung jedoch unterschiedlich von der aller bekannten irdischen Mineralien · Marsoberfläche vermutlich aus komplizierter Stoffmischung (ebenfalls Nachweis von Aluminium, Calcium, Magnesium u. Titan)
- Landschaft durch unterschiedliche Gesteinsformen geprägt: teilweise mit Kratern übersät (=

Meteoriteneinschläge), doch größtenteils keine Oberflächenstrukturen wegen Erosion durch Atmosphäre

- dünne Atmosphäre, nicht atembar, hauptsächlich aus CO2 (95%)u. Spuren von N2 (2,7%) CO, Wasserdampf u. nur 0,13% O2 (100x dünner als Erdatmospäre)
- höchste Tagestemperaturen: 20-30°C am Äquator, nachts -6°C; in Polnähe Temperaturen um -135°C
- Windgeschwindigkeiten bis 150 m/s bei Stürmen ( wirbeln Staubwolken auf, die gesamten Planeten einhüllen können
- Atmosphärendruck an Oberfläche sehr niedrig (nur 7-10 mb, Erde = 1030mb), was Vorhandensein von flüssigem Wasser ausschließt
- Klima von häufig auftretenden Wolken (Wassereis) u. gewaltigen Sandstürmen geprägt
- Erscheinungen an Erdoberfläche: Krater, Täler, gewaltige Vulkane sowie tiefe Cañons (= ehemalige Flußbetten)
- auch Erosionsercheinungen, die durch Wasser in zurückliegenden Entwicklungsstadien entstanden
- bedeutende Formationen: Olympus Mons - gewaltiger, inaktiver Vulkan mit d=550 km, h=25km, Kessel=80km Valles Marineris - 5000km langer, 400km breiter u. 6km tiefer Riesencañon, wahrscheinlich ausgetrocknetes Flußbett
- Nord- u. Südpol von Eiskruste überzogen (zeigen jahreszeitliche Veränderungen = Schmelzränder)
- zahlreiche Marssonden widerlegten Existenz von org. Leben auf Mars
- 2 Marsmonde, beide ellipsenförmig, kraterübersät : · Phobos ( d = 15 km) · Deimos ( d = 8km)