Karlas Wecker klingelt sehr früh. Die Sonne ist noch nicht aufgegangen, aber Karla kann die ersten Sonnenstrahlen am Horizont sehen. „Heute will ich herausfinden, wie Sterne entstehen”, denkt sie und zieht schnell ihren Raumanzug an.
Karla steigt in ihre Rakete und plant ihre Reiseroute. Sorgfältig sucht sie die Koordinaten für ihr Ziel heraus und tippt sie nacheinander in ihren Computer. „Heute werde ich das Sonnensystem verlassen und weiter in den Weltraum fliegen”, flüstert Karla aufgeregt. Sie startet ihre Rakete „Sternenblitz“. Nach einem brisanten Start ist sie auf dem Weg ins Weltall. Aus dem Fenster der Rakete sieht sie die kleiner werdende Erde, ihr wundervolles Zuhause.
Ihr Ziel ist der Orionnebel, der sich im Sternbild Orion befindet und hauptsächlich aus Gas und Staub besteht. Je näher Karla kommt, umso deutlicher sieht sie die Schönheit des Orionnebels. Das Gas glitzert grün und rot wie bunte Seifenblasen. Karla hält die Hand ans Fenster. „So viele Farben!” flüstert sie. „Kannst du dir vorstellen, wie weit das alles ist?”
Karla schaut sich neugierig um und ist fasziniert, wie wunderschön dieser Ort ist. Plötzlich taucht vor ihr ein Motiv auf, das sie schon oft auf Bildern gesehen hat: der Pferdekopfnebel. Vor einem rot leuchtenden Nebel formt der Staub die Figur eines Pferdekopfes. „Es sieht noch schöner aus, als auf all den Fotos”, staunt Karla.
Karla schwebt mit der Rakete zwischen bunten Nebelwolken, die sie mit großen Augen bestaunt. Doch dann sieht sie etwas Merkwürdiges vor sich auftauchen: einen kleinen, dunklen Fleck. Als sie näher kommt, erkennt sie, dass es eine dichte Staubwolke ist, die sich wie ein schwarzer Fleck vor dem Farbenmeer abhebt. Sie schaltet ihre Messinstrumente an. „Hm… sehr dicht“, murmelt sie.
Langsam fliegt Karla in die Wolke hinein. Das Licht wird schwächer, die Farben verschwinden, und außen ist nur noch Schwarz. Ihre Anzeigen flackern, das Sichtfenster wird von Staub beschlagen. Plötzlich blinkt eine rote Warnlampe auf. „Achtung: Sicht gleich null!“, ruft der Bordcomputer mit seiner monotonen Stimme. „Oh nein!“, sagt Karla. „Ich sehe gar nichts mehr!“ Vor ihr ist nur noch ein graubrauner Nebel. Kein Licht, keine Sterne, kein Orientierungspunkt. Nur Dunkelheit.
Die Staubwolke ist so dicht, dass sie das Licht der Sterne komplett verschluckt. Für einen Moment weiß Karla nicht mehr, wo oben und unten ist. Ihr Herz klopft schneller. Was, wenn sie nicht mehr aus der Wolke herausfindet? „Beruhig dich“, sagt sie sich, und dreht an den Reglern. Doch die Instrumente zeigen, dass die Wolke immer dichter, die Drehung schneller und die Temperaturen immer höher werden.
„Ruhig bleiben“, sagt Karla noch einmal leise zu sich selbst. „Vielleicht gibt es einen anderen Weg.” Sie erinnert sich an etwas, das sie einmal gelernt hat: Licht gibt es in vielen Farben – auch solches, das unsere Augen gar nicht sehen können. „Wenn das normale Licht nicht durch den Staub kommt …“, murmelt Karla, „… dann probiere ich es mit Infrarot!“ Sie tippt ein paar Befehle in ihr Steuerpult. Die Anzeigen flackern kurz, dann erscheint ein ganz neues Bild auf dem Schirm.
„Es klappt!“ ruft Karla begeistert. Überall im Dunkel der Staubwolke leuchten helle Flecken. Das Infrarotlicht zeigt ihr, wo sich warme Stellen im Orionnebel befinden. Sie atmet erleichtert auf. „Puh, das war knapp!”, ruft Karla und wischt sich den Schweiß von der Stirn. Jetzt kann sie sicher weiterfliegen.
Doch plötzlich ruckelt die Rakete so heftig, dass Karla zu Boden stürzt. Sie schaut sich erschrocken um. Als sie die Augen wieder öffnet, sieht sie Licht. Sie steht hastig auf und schaut aus dem Fenster. Ein heller Schein schießt aus dem Zentrum der Wolke. Staub und Gas werden weggepustet, als würde jemand einen riesigen Föhn anmachen.
Und dann sieht Karla in der Mitte der Wolke einen Lichtpunkt, klein zuerst, dann immer heller. Karla hält die Luft an. „Da ist gerade ein neuer Stern geboren!”, ruft sie. „Unglaublich. Ich habe mich verirrt und bin mitten in einer Sternengeburt gelandet.” Karla bestaunt den neuen Stern, der nun hell strahlt.
Karla sieht, wie kleine Partikel gegen die Scheiben prasseln. „Wir müssen hier raus, bevor die Sensoren verstopfen!“ sagt sie entschlossen. Sie tippt schnell eine Kurskorrektur ein, aber die Steuerung reagiert träge. Dann fällt ihr die Drehung der Wolke ein – sie kann sie nutzen! Wenn sie den Schub im richtigen Moment aktiviert, kann die Drehbewegung der Wolke ihr helfen, nach außen getragen zu werden – Drehimpulserhaltung in Aktion!
Sie wartet den richtigen Moment ab, drückt auf den Knopf – und die Rakete gleitet aus dem dichten Staubschleier heraus. Vor ihr breitet sich ein strahlendes Licht aus und Karla kann zum ersten Mal den neuen Stern in all seiner Pracht sehen. „Wie schön du bist“, flüstert Karla und lächelt. „Und wie viel du uns noch zeigen wirst.“
„Aber was ist da gerade passiert?”, überlegt sie. „Wie konnte dieser Stern entstehen?” Zum Glück haben ihre Messinstrumente alle Daten gesammelt. Karla setzt sich an ihren Bordcomputer und analysiert die Werte. Langsam versteht Karla, was passiert ist. Die dichte Staubwolke, in der sie sich verirrt hatte, war dadurch entstanden, dass sich viel Gas und Staub an einer Stelle gesammelt hat. Durch die große Masse der Staubwolke wurde immer mehr Staub und Gas angezogen und sie wurde immer dichter. Diese Anziehung nennt man Gravitation.
„Aber warum wurde es in der Wolke so heiß?”, überlegt Karla. Sie schaut in ihren Büchern nach. Je dichter die Wolke wird, desto weniger Platz bleibt für die einzelnen Staub- und Gasteilchen. Die Teilchen stoßen immer öfter und heftiger zusammen und dabei entsteht Reibung. Und Reibung macht Wärme. „Deshalb wurde die Staubwolke immer heißer!”, ruft Karla aufgeregt. Jetzt weiß Karla, warum die Wolke immer dichter und heißer wurde. Aber warum hatte sie sich auch schneller gedreht? Karla weiß, dass eine Eistänzerin sich langsamer dreht, wenn sie ihre Arme weit ausgestreckt hat. Ihre Drehung wird schneller, wenn sie ihre Arme an den Körper drückt. Karla probierte es direkt mit ihrem Schreibtischstuhl aus. „Hui, es klappt!”, ruft sie aufgeregt.
Bei der Staubwolke war es genauso. Da der Staub und das Gas aufgrund der Gravitation in die Mitte der Staubwolke fliegt, wird sie immer kleiner. Und je kleiner die Staubwolke wird, umso schneller dreht sie sich. „Das ist ein Gravitationskollaps, ein so schwieriges Wort, das so viel bedeutet wie alles stürzt in sich zusammen”, ruft sie voller Freude. „Jetzt verstehe ich es!”
Mithilfe ihrer Daten stellt Karla fest, dass es im Inneren der Staubwolke so heiß geworden war, dass etwas ganz Besonderes begonnen hatte: das Wasserstoffbrennen. Dabei verschmelzen winzige Wasserstoffteilchen zu neuem Material, Helium, und setzen dabei eine riesige Menge Energie und Licht frei. Wenn das Wasserstoffbrennen beginnt, ist der neue Stern geboren.
„Und wenn der Stern dann geboren ist, gibt er Strahlung nach außen ab”, überlegt Karla weiter. „Dadurch werden dann die Staubteilchen und das Gas rundherum wegblasen. Und deshalb hat meine Rakete so stark geruckelt!” Karla versteht nun, wie der neue Stern entstanden war. „Welchen Namen man ihm wohl geben wird”, überlegt sie. Sie schaut sich im Orionnebel um und kann überall junge Sterne entdecken, die gerade erst „geboren“ sind.
Als Karla sich einem anderen jungen Stern nähert, der in einem besonderen gelb leuchtet, sieht sie etwas Interessantes. Nicht der gesamte Staub um den Stern herum ist weggeblasen worden, sondern die größeren Staubteilchen und Objekte, die sich gebildet haben, drehen sich weiter um den neuen Stern. Diese Objekte formen langsam eine Scheibe, die sich wie die Ringe von Saturn um den Stern drehen.
Das Kreisen der Teilchen erinnert Karla an ein Karussell. Doch anders als bei einem richtigen Karussell halten sich die Staubteilchen nicht brav an ihre Bahnen. Immer wieder stoßen sie gegeneinander. Manche Teilchen bleiben nach einer Kollision aneinander kleben und werden dadurch größer. So entstehen nach und nach immer größere Klumpen, die weiter um den hellen Stern in der Mitte kreisen. Mit der Zeit werden aus kleinen Staubkörnchen richtige Brocken, die unaufhörlich ihre Runden ziehen.
„Und genau so entstehen also Planeten, so wie in meinem Sonnensystem!“, staunt Karla. Aus der dichten Staubwolke, die sie am Anfang entdeckt hat, würde vielleicht bald auch ein richtiges Planetensystem entstehen, mit einem hell leuchtenden Stern in der Mitte und Planeten, die darum kreisten. Karla schaut voller Begeisterung auf das Schauspiel. „Wie wundervoll!“, denkt sie glücklich.
Auf dem Rückweg zu ihrem Lieblingsplaneten, der Erde, schreibt Karla all ihre Beobachtungen und Messdaten sorgfältig in ihr Forschungsbuch. Sie denkt an all die aufregenden Dinge, die sie erlebt hat: die dichten Staubwolken, die sich drehten wie ein Karussell, die Kollisionen der Teilchen und den jungen Stern, der hell zu leuchten begonnen hatte. Als sie schließlich wieder zu Hause ankommt, kuschelt sie sich in ihr Bett und schaut noch ein letztes Mal aus dem Fenster in den funkelnden Nachthimmel. „Manchmal entsteht aus Dunkelheit etwas Neues und Wunderschönes. Das Universum steckt voller Geheimnisse“, flüstert sie. „Und ich will sie alle entdecken.“ Mit diesem Gedanken schläft Karla glücklich und müde ein – und träumt von dem jungen Stern im Orionnebel, der vielleicht bald seine eigenen Planeten bekommen wird.
Erklärungen zu der Geschichte
für interessierte Kinder und Erwachsene
Was ist Gravitation?
Die Gravitation oder Gravitationskraft ist eine Grundkraft in der Physik und beschreibt die gegenseitige Anziehung von Massen. Jede Masse zieht jede andere Masse an, daher spricht man auch oft von Massenanziehung. Je weiter die Massen auseinander sind, umso weniger stark ziehen sie sich an, aber diese Anziehung wird nie null. Je größer eine Masse ist, umso stärker ist ihre Anziehung. Daher bleiben wir zum Beispiel auf der Erde stehen ohne ins Weltall zu fliegen, da wir von der Masse der Erde angezogen werden. Da der Mond weniger Masse hat, ist die Gravitationskraft geringer. Wenn wir als auf dem Mond stehen würden, könnten wir einfacher hoch springen und sozusagen mit Leichtigkeit auf dem Mond herumhüpfen. Interessant ist auch, dass man die Gravitationskraft nicht abschirmen kann, wie man z.B. elektrische Kräfte abschirmen kann.
Was ist ein Gravitationskollaps?
Der Gravitationskollaps beschreibt den Prozess, dass Masse aufgrund der Gravitation in sich zusammenfällt. Dieser Prozess wird bei der Sternentstehung aber auch in der Endphase eines Sterns beobachtet.
In einer Staubwolke kann es lokal zu einer höheren Ansammlung von Gas und Staub kommen. Dadurch werden weitere Staubteilchen und Gas von dieser lokal erhöhten Masse angezogen. Die so entstandene Staubwolke wächst weiter aufgrund der Anziehung von mehr Staub und Gas. Je größer diese Staubwolke wird, um so weiter reicht die Gravitation und immer mehr Staub aus weiterer Entfernung wird angezogen. Diesem Gravitationskollaps steht keine anderen Kraft entgegen, die die Bewegung des Staubs Richtung Mitte die Staubwolke aufhält. Die Staubteilchen bewegen sich also unaufhaltsam Richtung Zentrum der Staubwolke, wodurch die Staubwolke immer massereicher und immer kleiner wird.
Warum dreht sich die Staubwolke?
Im Universum steht nichts still, alle Objekte bewegen sich durch den Raum. Die Bewegungen sind in vielen Fällen Drehbewegungen. So bewegen sich auch die Staubteilchen und das Gas im interstellaren Raum. Bei einem Gravitationskollaps dreht sich die entstehende Staubwolke um sich selber. Je massereicher und kleiner die Staubwolke wird umso schneller dreht sie sich. Dies geschieht aufgrund der Drehimpulserhaltung.
Was verstehst man untere Drehimpuls und Drehimpulserhaltung: Wenn ein Spielauto angestoßen wird und losfährt, würde es, wenn es keine Reibung geben würde, einfach immer weiterfahren ohne zu stoppen. Nur aufgrund der Reibung, die die Räder mit der Oberfläche haben, stoppt es nach einer bestimmten Strecke. Im Weltall gibt es keine (kaum) Reibung, nicht in der Form, wie wir sie auf der Erde beobachten, daher bewegt sich ein Objekt einfach weiter, wenn es einmal angestoßen wurde. Wenn sich also ein Objekt dreht, dreht es sich immer weiter. Nur eine von außen gegebene Kraft kann dies stoppen.
Bei der Staubwolke wird die Drehbewegung ebenfalls nicht gestoppt. Hinzu kommt noch, dass die Staubwolke aufgrund des Gravitationskollapses immer kleiner wird. Betrachten wir eine Eistänzerin. Sie hat die Arme weit ausgestreckt und dreht sich. Wenn sie die Arme dann an ihren Körper presst und sich klein macht, dreht sie sich schneller. Man kann es einfach mit seinem Schreibtischstuhl ausprobieren. Bei der Staubwolke ist es genau so, je kleiner die Staubwolke aufgrund des Gravitationskollapses wird, umso schneller dreht sie sich. Dies wird Drehimpulserhaltung genannt.
Wie entsteht ein Stern?
Durch den Gravitationskollaps wird es im Zentrum der Staubwolke immer dichter. Durch die hohe Dichter erhöht sich die Temperatur im inneren der Wolke. Da der Gravitationskollaps durch nichts gestoppt wird, kommt es auch zu sehr hohen Temperaturen.
Erst wenn eine Grenztemperatur erreicht ist, die in etwa 15 Millionen Grad Celsius beträgt, startet ein neuer Prozess.
Bei dieser Temperature beginnt das Wasserstoffbrennen (siehe Karla erforscht die Sterne) und im Zentrum der Staubwolke formt sich ein Stern. Durch das Wasserstoffbrennen wird Energie produziert, die dem Gravitationskollaps entgegen wirkt und ihn schließlich stoppt. Durch das Wasserstoffbrennen wird Energie produziert, die nach außen abgetragen wird. Diese Energie trifft auf die Staubteilchen und das Gas und bläst die kleine Teilchen und das Gas nach außen weg. Diese Kraft wird Strahlungsdruckkraft genannt. Nur größere Staubteilchen werden von der Gravitation des Sterns gehalten und kreisen um den neu entstandenen Stern.
Wie entstehen Planeten?
Der Staub der sich nach der Sternentstehung weiterhin in einer Wolke um den Stern dreht, sinkt langsam in eine Scheibe ab, die sich um den Stern dreht, so wie die Staubringe des Saturn. In diesem Prozess kommt es immer wieder zu Kollisionen zwischen den Staubteilchen, bei diesen Kollisionen können die Staubteilchen aneinander haften bleiben und zu größeren Objekten wachsen. Diese Objekte sind schließlich so groß, dass sie aufgrund ihrer Masse durch Gravitation weiterer Staubteilchen anziehen. So wächst der Objekt weiter. Wie im ersten Schritt der Sternentstehung kommt es dann zu sehr hohen Temperaturen im inneren dieser Objekte, so dass das Material sehr heiß und flüssig wird. Die zuvor unregelmäßige Form des Objekts verändert sich zu einer Kugel. Diesen Prozess nennt man Differenzierung. Dabei bewegen sich das schwerere Material wie Metall ins innere des Planeten und das leichtere Material bleibt an der Oberfläche.