Die Morgensonne schien durchs Fenster und kitzelte Karla an der Nase. Karla öffnete die Augen und schaute aus dem Fenster. Hatte sie verschlafen? Aber nein, sie würde heute erst später aufbrechen und die gesamte Nacht unterwegs sein. Aber allzu lange durfte sie nicht schlafen, denn es gab viel vorzubereiten.
Als ihr Rucksack mit Messinstrumenten und Verpflegung gepackt war, stieg Karla in ihre Rakete und untersuchte als erstes, ob die Instrumente der Rakete einwandfrei funktionierten, ob sie genug getankt hatte, ob die Steuerung richtig eingestellt war und ob die vorbereitete Reiseroute im Computer gespeichert war.
Erst als Karla ganz sicher war, dass alles funktionierte und sie nichts vergessen hatte, drückte sie den großen roten Knopf und die Rakete startete. „3, 2, 1 und los“, zählte Karla lachend und voller Aufregung mit. Heute war ihre Mission, die Sterne zu erkunden. Karla wollte erforschen, was Sterne von Planeten unterschied und warum sie Licht und Wärme produzierten.
Sie flog als erstes zur Sonne, dem Stern in unserem Sonnensystem. Sie winkte Venus und Merkur einmal zu und richtete dann ihre Aufmerksamkeit auf die Sonne.
Karla war fasziniert von diesem großen, gelben Ball, der unaufhörlich Energie produzierte und Wärme und Licht abstrahlte. Und es wurde selbst in der Rakete sehr warm, so dass sich leichte Schweißtropfen auf Karlas Stirn bildete.
Zunächst maß Karla die Temperatur der Sonne und war erstaunt. An der Oberfläche hatte die Sonne eine Temperatur von 5500 Grad Celsius. Auf der Erde spüren die Menschen Temperaturen um -10 Grad Celsius, wenn es Winter ist, und etwa 30 Grad Celsius im Sommer. Da sind 5500 Grad Celsius schon sehr heiß.
Karla maß auch die Temperatur im Kern der Sonne, die noch viel größer war, und zwar etwa 15 Millionen Grad Celsius, das sind 15 000 000 Grad Celsius. Karla konnte sich diese Temperatur gar nicht vorstellen.
Die Größe der Sonne war ebenfalls beträchtlich, ihr Durchmesser war 110 mal größer als die Erde.
Karla schaute sich dann an, woraus die Sonne bestand. Sie bestand nicht aus Stein, sondern aus Gas. Und dieses Gas verwandelte sich ständig, wodurch Energie entstand. Dadurch wurde die Wärme produziert, die unsere Erde wärmte, und das Licht ausgesandt, das unseren Tag erhellt.
Karla schaute sich die Prozesse in der Sonne genau an und schrieb alle Beobachtungen in ihren Computer.
Eine Sache, die Karla genauer untersuchen wollte, war der Unterschied zwischen einem Planeten und einem Stern wie der Sonne.
Sie schaute sich die Planeten an, sie leuchteten selber nicht, nur die Sonne strahlte Licht und Wärme in all Richtungen ab. Die Planeten waren nur dort hell, wo sie von der Sonne beleuchtet wurden, auf der anderen Seiten waren sie dunkel. Auf der erleuchteten Seite war Tag und auf der dunklen Seite war Nacht.
Die Sonne war sehr heiß, dagegen waren die Oberflächen der Planeten sehr kalt.
Karla schlug in ihren Büchern nach, warum die Sonne selber leuchten konnte, aber die Planeten nicht. Sie lernte, wenn ein Objekt im Weltall schwerer war als als eine kritische Masse (1.6 x 10^29 kg, 0.08 Sonnenmassen), konnte das Gas im Objekt Energie produzieren, die dann als Licht und Wärme abgestrahlt wurde. Alle Objekte, die leichter als diese kritische Masse waren, konnten keine Energie produzieren.
Karla schaute sich die Masse der Sonne und der Planten an, und tatsächlich, nur die Sonne erreichte diese Masse, so dass sie selber Licht und Wärme produzieren konnte. Die Planeten waren leichter als die kritische Masse.
Wie interessant, dachte Karla. Sie freute sich schon darauf, andere Sterne zu untersuchten. Sie drehte die Rakete herum und flog ins Weltall.
Als erstes sah Karla einen roten Stern und steuerte auf ihn zu. Ihre Messungen zeigten, dass die Masse dieses Sterns kleiner war, als die Masse der Sonne, aber größer als die kritische Masse. Die Temperatur an der Oberfläche des roten Sterns war auch kleiner als die Oberflächentemperatur der Sonne. Interessant, dachte Karla.
Dann flog sie zu einem Stern, der blau leuchtete, und vermaß ihn. Die Oberfläche war viel heißer, als die Oberfläche der Sonne und Karlas Messinstrumente zeigten, dass der Stern sehr viel schwerer war als die Sonne.
Nachdem Karla viele Sterne besucht und vermessen hatte, verstand sie, dass Sterne, die wenig Masse hatten, kälter und rot waren, während mittelgroße Sterne, so wie die Sonne, eher gelb leuchteten, und sehr schwere Sterne blau leuchteten und sehr heiß waren.
Karla war mit ihren Messungen zufrieden. Jetzt verstand sie, was der Unterschied zwischen einem Planeten und einem Stern war. Sie lernte, dass die Sterne je nach Temperatur und Masse in verschiedene Gruppen, sogenannte Klassen, eingeteilt wurden.
„Was für ein Tag!“, rief Karla zufrieden und suchte in ihrem Computer den schnellsten Weg zurück zum Sonnensystem. Sie war müde, als sie nach einer langen Reise wieder zu Hause ankam. All ihre Messdaten waren sichrt in ihrem Computer gespeichert und sie konnte zufrieden einschlafen und von Sternen und dem Weltall träumen.
Erklärungen zu den Geschichten
Erklärungen zu den Geschichten
für interessierte Kinder und Erwachsene
Um zu verstehen, wie ein Stern Energie produziert, musst du verstehen, was ein Atom ist, wie die einzelnen Teile eines Atoms genannt werden und welche verschiedenen Arten von Atomen es gibt.
In den folgenden Infoboxen findest du die Erklärungen.
Was ist ein Atom?
Ein Atom besteht aus einem Kern und einer Schale.
Im Kern befinden sich Protonen und Neutronen.
In der Schale befinden sich Elektronen.
Protonen sind positiv geladen.
Elektronen sind negativ geladen.
Neutronen sind neutral, also nicht geladen.
Was sind die unterschiedlichen Elemente?
Es gibt unterschiedliche Elemente, z.B. Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff, Sauerstoff und so weiter.
Um welches Element es sich handelt, bestimmt die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms.
Ein Proton: Wasserstoff
Zwei Protonen: Helium
Die verschiedenen Elemente sind im Periodensystem aufgelistet. Die Namen der Elemente werden abgekürzt, z.B. ist Wasserstoff H nach dem englischen Wort Hydrogen, Helium wird mit He abgekürzt.
Die Zahl, die bei jedem Element steht, gibt die Anzahl der Protonen an.
Die Anzahl der Neutronen kann variieren, die Atome bilden dann sogenannte Isotope. Die Gesamtanzahl der Elemente (Protonen + Neutronen) in einem Kern wird durch eine Zahl dargestellt, die vor dem abgekürzten Namen es Elements steht:
1H: Wasserstoff mit einem Proton.
2H: Wasserstoff mit einem Proton und einem Neutron, wird Deuterium genannt.
3He: Helium mit zwei Protonen und einem Neutron.
4He: Helium mit zwei Protonen und zwei Neutronen.
Wann ist ein Atom geladen?
In der Schale eines Atoms befinden sich die Elektronen. Ist ein Atom neutral, gibt es in der Schale genauso viele Elektronen wie Protonen im Kern. Die Anzahl der positiven und negativen Ladungen ist dann gleich und das Atom demnach neutral.
Wenn dieses Gleichgewicht nicht mehr gegeben ist, da es zum Beispiel weniger Elektronen in der Schale gibt, ist das Atom geladen, in diesem Fall positiv. In einem negativ geladenen Atom gibt es mehr Elektronen als Protonen.
Aus welchen Atomen besteht ein Stern?
Da in einem Stern sehr hohe Temperaturen herrschen, bleiben die Elektronen nicht in der Schale und man findet nur die Atomkerne.
Da ein Stern hauptsächlich aus Wasserstoff und ein bisschen aus Helium besteht, gibt es demnach sehr viele Wasserstoffkerne und einige Helimkerne in einem Stern.
Ein Wasserstoffkern besteht nur aus einem Proton.
Ein Heliumkern besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen.
Wie produziert ein Stern Energie?
Um diese Frage zu klären, müssen wir noch drei weitere Dinge wissen.
1. Je schwerer ein Objekt ist, umso heißer ist es in seinem Inneren. Damit Energie im Inneren eines Objekts erzeugt wird, braucht es eine Temperatur von mehr als 15 000 000 Kelvin (15 Millionen K). Wir sehen also, dass es von der Masse des Objekts abhängt, ob diese Temperatur erreicht wird und die Energieproduktion beginnen kann.
Um Temperaturen in der Physik anzugeben wird oft die Einheit Kelvin, abgekürzt K, genommen. Bei diesen Angaben gibt es keine negativen Temperaturen, denn 0 K ist die absolute Mindesttemperatur, die erreicht werden kann. 0 K entsprechen -273.15 Grad Celsius.
2. Da Atomkerne positiv geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig ab. Man kann sich das etwa so vorstellen, als würde man die Nordpole zweier Magneten aneinander halten. Dadurch kommt es nicht spontan zu Verbindungen zweier Atomkerne.
3. Je heißer eine Umgebung ist, umso schneller bewegen sich die Atomkerne in dieser Umgebung. Bei einer Temperatur von 15 Millionen Kelvin bewegen sich die Protonen (also die Wasserstoffkerne) so schnell, dass sie bei einer Kollision, die Abstoßung zwischen ihnen überwinden können, sich verbinden können und einen neuen Kern bilden. Bei geringeren Temperaturen ist dies nicht möglich, da sie Abstoßung nicht überwunden werden kann. Ist der Atomkern größer, besteht er z.B. aus zwei Protonen oder mehr, muss die Temperatur höher sein, damit sich die Atomkerne verbinden können.
Der Prozess des Verbindens von zwei Atomkernen nennt man Fusion.
Es gibt drei Fusionsprozesse, durch die Helium (He) aus Wasserstoff (H) produziert wird. In diesem Artikel stelle ich nur den Prozess vor, der am häufigsten in einem Stern auftritt (mit 83%). Dieser wird Proton-Proton-I-Kette genannt (siehe Infobox zur Veranschaulichung). Bei dem Prozess wird viel Energie in der Sonne freigesetzt, wodurch Licht und Wärme entsteht, die dann ins Sonnensystem abgestrahlt werden. Die Planeten, wie unsere Erde, werden dadurch erwärmt und erhellt.
Wenn man sich den Prozess der Fusion in einem Stern ganz genau ansieht, ist er etwas komplizierter als hier in einfacher, prinzipieller Form dargestellt ist. Es gibt einen guten Wikipedia Artikel (Proton-Proton-Reaktion), der auch die Details beschreibt.
Fusion von Wasserstoffkernen (Proton-Proton-I-Kette)
Der Prozess der Proton-Proton-I-Kette besteht aus drei Schritten:
1. Zwei Wasserstoffkerne (1H) verbinden sich zu einem Deuteriumkern (2H).
Wie man sieht, entsteht nicht nur ein Deuteriumkern, sondern es werden auch ein Positron und ein Elektron-Neutrino frei (siehe unten). Außerdem wird Energie frei.
2. Mit dem Deuteriumkern (2H) verbindet sich ein weiterer Wasserstoffkern (1H) und bildet einen Heliumkern (3He) (also 2 Protonen und 1 Neutron).
Es wird wieder Energie produziert. Außerdem werden Gammaquanten (siehe unten) abgegeben.
3. Zwei dieser Heliumkerne (3He) verbinden sich zu einem Heliumkern 4He mit 2 Protonen und 2 Neutronen und geben bei diesem Prozess zwei Wasserstoffkerne (1H) frei.
Diesen gesamten Prozess nennt man auch Wasserstoffbrennen.
In jedem Schritt wird Energie frei gegeben, insgesamt etwa 26 MeV.
Positron und Elektron-Neutrino werden durch die Umwandlung von einem Proton in ein Neutron frei. Beide sind Elementarteilchen.
Gammaquant oder Gammastrahlung ist eine hochenergetische Strahlung.
Einiger dieser Fakten sind beliebig kompliziert und ich habe diese hier nur prinzipiell und zum Teil nur ansatzweise dargestellt, damit du erstmal eine grobe Idee von der Physik bekommst.
Falls du Fragen hast oder ich einige Punkte detaillierter erklären soll, schick mir doch bitte einen Kommentar. Dann werde ich diese Seite erweitern oder dir Informationen zum Thema schicken.