Ungefähr 10.000 Lichtjahre entfernt, im Sternbild Centaurus, befindet sich ein planetarischer Nebel namens NGC 5307. A Planetennebel ist der Überrest eines Sterns wie unserer Sonne, wenn er das Ende seines Lebens erreicht hat. Dieses Hubble-Bild von NGC 5307 lässt Sie nicht nur über die Vergangenheit des Sterns nachdenken, sondern lässt Sie auch über die Zukunft unserer eigenen Sonne nachdenken.
Der Prozess des Alterns eines Sterns und des Erreichens seines Lebensendes ist eine lange, langsame Geschichte, die von Episoden rasanter Veränderungen unterbrochen wird. Genau wie NGC 5307 wird unsere Sonne schließlich zu einem Roten Riesen, der seine äußeren Gasschichten abwirft. In einigen Milliarden Jahren wird es selbst zu einem weißer Zwerg , beleuchtet die Gasschichten, die es als planetarischer Nebel abgab.
Im Moment steht unsere Sonne auf dem Hauptfolge . Es verschmilzt in seinem Kern Wasserstoff zu Helium. Als Ergebnis dieser Fusion wird eine enorme Energiemenge freigesetzt, die die Erde erwärmt und das Leben hier am Laufen hält. (Es ist eigentlich nicht die Fusion selbst, die den größten Teil der Wärme erzeugt; es ist die Proton-Proton-Kette .)
Aber ein Stern ist ein Balanceakt zwischen dem äußeren Druck der Fusion und dem inneren Druck seiner eigenen Schwerkraft. Dieses Gleichgewicht heißt hydrostatisches Gleichgewicht , und es kann nicht ewig dauern.
Jahr für Jahr, Jahrhundert für Jahrhundert, Äon für Äon verschmilzt die Sonne Wasserstoff zu Helium, gibt Wärme ab und verliert an Masse. Auch wenn ein Stern wie unsere Sonne stabil und unveränderlich erscheinen kann, ist nichts in der Natur unveränderlich. Die Sonne verschmilzt jede Sekunde etwa 600 Millionen Tonnen Wasserstoff zu Helium und verliert dabei an Masse. Es verliert an Masse, indem es Materie in Energie umwandelt, wie von Einsteins . erklärt E=mc² .
Das ist ein beachtlicher Betrag. Tatsächlich hat die Sonne in ihren bisherigen ungefähr 4,5 Milliarden Lebensjahren eine Masse verloren, die der des Jupiter ähnlich ist.
Irgendwann wird sich der Balanceakt für immer ändern, denn die Sonne wird so viel Masse verlieren, dass die nach innen gerichtete Kraft ihrer Schwerkraft nicht ausreicht, um die nach außen gerichtete Kraft ihrer Verschmelzung einzudämmen. Der Stern wird sich zu einem ausdehnen roter Riese .
Astronomen berechnen, dass sich unsere Sonne, wenn sie in etwa 5 Milliarden Jahren zu einem Roten Riesen wird, weit genug ausdehnen wird, um Merkur, Venus und wahrscheinlich die Erde zu verschlingen. Bis dahin wird die Sonne ungefähr doppelt so leuchtend wie jetzt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Erde ungefähr so viel Energie von der Sonne erhalten wie jetzt die Venus. Keine gute Prognose für das Leben.
Nach ihrer Roten-Riesen-Phase wird die Sonne zu einem Unterriesen. Sie wird sich in einer halben Milliarde Jahren verdoppeln. Dann kommt eine weitere Phase von einer halben Milliarde Jahren, in der sie sich wieder verdoppelt und auch bis zu zweitausendmal heller wird. An diesem Punkt ist die Sonne jetzt ein riesiges, helles, bedrohliches Objekt, das sich rot verfärbt und die inneren Planeten im Sonnensystem verzehrt hat.
Wenn ein Stern zu einem Roten Riesen wird, schwillt er zu einer enormen Größe an, obwohl er an Masse verloren hat. Die verlorene Masse bedeutet, dass der Stern weniger durch die Schwerkraft komprimiert wird, sodass sich der Stern ausdehnen kann. Bildnachweis: Von Oona Räisänen (Benutzer: Mysid), Benutzer: Mrsanitazier. – Vektorisiert in Inkscape von Mysid auf einem JPEG von Mrsanitazier (en:Image:Sun Red Giant2.jpg)., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2585107
Zu diesem Zeitpunkt steht die Sonne auf dem Rot-Riesen-Zweig. Es wird einen Kern aus Helium haben, der von einer Wasserstoffschicht umgeben ist. Nach Milliarden von Jahren aktiven Lebens wird die Sonne nur noch etwa 100 Millionen Jahre aktives Leben haben. Aber es gibt eine Menge Aktivität, die in diesen 100 Millionen Jahren komprimiert ist.
Da ist zuerst die Heliumblitz , wo die Sonne 40% ihrer Masse verbrennt. Es wird dies tun, indem es etwa 6% des Heliums in seinem Kern in Kohlenstoff umwandelt. Das dauert nur wenige Minuten, eine schockierende Gegenüberstellung mit den Milliarden Jahren im Leben der Sonne.
Die Entwicklung der Sonne. Bildnachweis: Von Szczureq – Eigene Arbeit, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=34794215
Nachdem sie all diese Masse verloren hat, schrumpft sie auf etwa das 10-fache ihrer aktuellen Größe und auf etwa das 50-fache ihrer Leuchtkraft. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Sonne auf dem horizontalen Ast und wird das Helium in ihrem Kern für die nächsten hundert Millionen Jahre weiter verbrennen und dabei ein wenig größer und leuchtender werden.
Aber jetzt geht der Sonne der Treibstoff aus. Das Helium in seinem Kern wird weiter aufgebraucht und es verliert mehr Masse. Nichts kann dies verhindern, und die Sonne wird sich wieder ausdehnen, wie sie es tat, als sie zum ersten Mal in die Phase des Roten Riesen eintrat. Aber diese Expansion wird viel schneller sein.
Die Dinge beschleunigen sich für die Sonne, und sie wird immer instabiler. Unsere einst unversöhnliche Sonne tritt in ihre Endphase ein. Es ist jetzt im asymptotischer-Riesen-Zweig Phase und wird in der frühen Phase dieser Phase etwa 20 Millionen Jahre verbringen. Es hat einen größtenteils inerten Kern aus Sauerstoff und Kohlenstoff, eine Hülle, in der Helium zu mehr Kohlenstoff verschmilzt, und eine andere Hülle, in der Wasserstoff zu Helium verschmilzt. Es ist viel los.
Es wird in einer Reihe von thermischen Impulsen und Massenverlust konvulsivieren. Jeder dieser Impulse dauert nur etwa hundert Jahre und in jedem wird sich die Sonne ausdehnen und leuchtender werden. Jeder Puls wird stärker sein als der vorhergehende, und dieser Zeitraum dauert etwa 100.000 Jahre. Berechnungen zeigen, dass unsere Sonne gegen Ende ihrer Lebensdauer wahrscheinlich vier dieser Impulse erfahren wird.
Nachdem sie von diesen Impulsen heimgesucht wurde, beruhigt sich die Sonne. Die Sonne ist in jeder Hinsicht tot. Oder zumindest im Koma. Die Hülsenfrüchte haben ihre äußeren Schichten abgestoßen und sind jetzt ein Weißer Zwerg. Dieser Weiße Zwerg enthält nur etwa 50 % der ursprünglichen Sonnenmasse.
Planetarische Nebel kommen in einer Vielzahl von Formen und Morphologien vor. Jedes hat einen weißen Zwerg in der Mitte. Unsere Sonne wird eines Tages diesen Nebeln ähneln. Von links nach rechts der Schmetterlingsnebel, der Ringnebel und NGC 2818. Bildnachweis, von links nach rechts: NASA , DIES , und das Hubble SM4 ERO-Team; NASA , DIES , C. R. O’Dell (Vanderbilt University) und D. Thompson (Large Binocular Telescope Observatory); NASA , DIES , und der Hubble-Erbe Mannschaft ( STScI / WERDE HABEN )
Die Sonne ist tot, weil es keine Fusion mehr gibt. Als Weißer Zwerg gibt er nur gespeicherte Energie ab. Es besteht aus dicht gepackten elektronenentartete Materie , und es kann keine Fusion stattfinden.
Aber es leuchtet immer noch, und die Energie, die es emittiert, trifft auf die Gasschichten, die es während seiner Wärmeimpulse abgibt, ionisiert das Gas und entzündet es. Unsere Sonne wird dann ein planetarischer Nebel sein. Und das bringt uns zurück zu NGC 5307.
NGC 5307 ist ein Ausblick auf das Ende des Lebens der Sonne. Genau wie NGC 5307 wird unsere Sonne eines Tages, in Milliarden von Jahren, nur ein Überbleibsel ihrer früheren Pracht als lebensspendende Plasmakugel sein. Trotz des Namens des planetarischen Nebels wird es keine Planeten in der Nähe geben. Es wird sie während seiner Erweiterungen zerstört haben. Es wird nur das Gas geben.
Dieses Bild der Woche vom NASA/ESA-Weltraumteleskop Hubble zeigt NGC 5307, einen planetarischen Nebel, der etwa 10000 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Der weiße Zwerg in der Mitte beleuchtet das Gas, während es sich ausdehnt. Nach etwa 10.000 Jahren wird das Gas zerstreut. Bildquelle: NASA/ESA/Hubble
Aber auch das Gas wird irgendwann weg sein. Es wird sich vom Stern entfernen und cool sein. Nach etwa 10.000 Jahren als planetarischer Nebel wird die ehemalige Sonne für Billionen von Jahren als schwacher Weißer Zwerg bestehen bleiben. Danach wird die Sonne der Theorie nach ein schwarzer Zwerg . Es ist vollständig abgekühlt und gibt keine Energie mehr ab. Dies ist theoretisch, da keine Schwarzen Zwerge beobachtet wurden. Tatsächlich dauert es länger, bis sich ein Stern zu diesem hypothetischen Zustand des Schwarzen Zwergs entwickelt hat, als das bisherige Universum selbst alt ist.
Das ausgestoßene Gas aus dem planetarischen Nebel spielt noch eine Rolle. Während des Chaos der letzten Entwicklungsstadien der Sonne produzierte sie Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium waren stellare Nukleosynthese . Diese Elemente, genannt Metalle in der Astronomie, in den Weltraum ausgesandt und in einem anderen Sternentstehungsprozess aufgenommen. Sie werden den nächsten Stern bereichern, der geboren wird, und die nächsten Planeten, die sich um diesen zukünftigen Stern bilden könnten.
Der Name Planetarischer Nebel ist eine falsche Bezeichnung aus früheren Tagen der Astronomie. Sie haben in keiner Weise mit Planeten zu tun. Aber einige der ersten Beobachter dieser stellaren Überreste sahen mit den ihnen damals zur Verfügung stehenden Teleskopen die runden Formen und nahmen an, dass es sich um Planeten handelte.
Jetzt wissen wir, dass das nicht stimmt. Wir erkennen sie jetzt als das an, was sie sind. Jeder dieser Nebelflecke ist wie eine Momentaufnahme, die die Milliarden von Jahren zusammenfasst, die es brauchte, um diesen Zustand zu erreichen. Und obwohl es (wahrscheinlich) nie von menschlichen Augen beobachtet wird, ist dies das endgültige Schicksal unserer Sonne.
Hinweis an die Leser:
Es gibt eine enorme Menge an Details im Leben und eventuellen Tod eines Sterns. Wenn wir so etwas sagen wie „die Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium setzt Wärme frei“, steckt viel mehr dahinter und viel mehr, als in einen Artikel passen könnte.
Wer mehr über Stars wissen möchte, dem empfehle ich „The Life and Death of Stars“ (2013) von Kenneth R. Lang. Lang ist Professor für Astronomie an der Tufts University, und er leistet hervorragende Arbeit bei der Erklärung aller stellaren Dinge.
Mehr:
- NASA-Pressemitteilung: Hubble betrachtet die letzten Phasen des Lebens eines Stars
- Universum heute-Video: Warum expandieren Red Giants?
- Universum heute: Arten von Sternen
- Wikipedia: Sonne
- Wikipedia: Weißer Zwerg
- Wikipedia: Planetennebel
