Alle Wissenschaftsenthusiasten haben irgendwann einmal die berüchtigten Worte des verstorbenen Carl Sagan gehört: 'Wir sind aus Starmaterial gemacht.' Aber was heißt das genau? Wie könnten kolossale Plasmabälle, die gierig ihren Kernbrennstoff in fernen Zeit und Raum verbrennen, dazu beitragen, die enorme Komplexität unserer irdischen Welt hervorzubringen? Wie kommt es, dass „der Stickstoff in unserer DNA, das Kalzium in unseren Zähnen, das Eisen in unserem Blut, der Kohlenstoff in unseren Apfelkuchen“ so ohne weiteres tief in den Herzen dieser riesigen Sterngiganten geschmiedet werden konnte?
Es überrascht nicht, dass die Geschichte sowohl elegant als auch zutiefst beeindruckend ist.
Alle Sterne stammen aus bescheidenen Anfängen: nämlich einem riesigen, rotierenden Klumpen aus Gas und Staub. Die Schwerkraft treibt die Cloud dazu, sich zu verdichten, während sie sich dreht und in eine immer dichter gepackte Materialkugel wirbelt. Schließlich wird der zukünftige Stern so dicht und heiß, dass Wasserstoffmoleküle in seinem Kern kollidieren und zu neuen Heliummolekülen verschmelzen. Diese Kernreaktionen setzen starke Energiestöße in Form von Licht frei. Das Gas glänzt hell; ein Star ist geboren.
Das endgültige Schicksal unseres jungen Sterns hängt von seiner Masse ab. Kleinere, leichte Sterne brennen durch den Wasserstoff in ihrem Kern langsamer als schwerere Sterne, leuchten etwas dunkler, leben aber viel länger. Im Laufe der Zeit verursachen jedoch sinkende Wasserstoffkonzentrationen im Zentrum des Sterns weniger Wasserstofffusionsreaktionen; weniger Wasserstofffusionsreaktionen bedeuten weniger Energie und daher weniger Druck nach außen.
An einem bestimmten Punkt kann der Stern die Spannung, die sein Kern gegen die Masse seiner äußeren Schichten aufrechterhalten hatte, nicht mehr aufrechterhalten. Die Schwerkraft gibt den Ausschlag und die äußeren Schichten beginnen im Kern nach innen zu fallen. Aber ihr Zusammenbruch heizt die Dinge auf, erhöht den Kerndruck und kehrt den Prozess erneut um. Direkt außerhalb des Kerns wird eine neue Wasserstoffverbrennungsschale erzeugt, die einen Puffer gegen die Schwerkraft der Oberflächenschichten des Sterns wiederherstellt.
Während der Kern weiterhin Heliumfusionsreaktionen mit niedrigerer Energie durchführt, drückt die Kraft der neuen Wasserstoff-brennenden Hülle auf das Äußere des Sterns, wodurch die äußeren Schichten immer mehr anschwellen. Der Stern dehnt sich aus und kühlt zu einem roten Riesen ab. Seine äußeren Schichten entziehen sich letztendlich der Schwerkraft, schweben in den Weltraum und hinterlassen einen kleinen, toten Kern – einen Weißen Zwerg.
Sterne mit geringerer Masse wie unsere Sonne treten schließlich in eine geschwollene Phase des Roten Riesen ein. Letztendlich werden seine äußeren Schichten vollständig abgeworfen und es bleibt nichts als ein kleiner weißer Zwergstern übrig. Bildquelle: ESO/S. Steinhöfel
Auch schwerere Sterne geraten gelegentlich im Kampf zwischen Druck und Schwerkraft ins Wanken und erzeugen neue Atomhüllen, die dabei verschmelzen; Im Gegensatz zu kleineren Sternen erlaubt ihnen ihre überschüssige Masse jedoch, diese Schichten weiter zu bilden. Das Ergebnis ist eine Reihe konzentrischer Kugeln, wobei jede Schale schwerere Elemente enthält als die sie umgebende. Im Kern entsteht aus Wasserstoff Helium. Heliumatome verschmelzen zu Kohlenstoff. Kohlenstoff verbindet sich mit Helium, um Sauerstoff zu erzeugen, der zu Neon, dann zu Magnesium, dann zu Silizium verschmilzt… den ganzen Weg über das Periodensystem bis hin zu Eisen, wo die Kette endet. Solche massereichen Sterne wirken wie ein Ofen, der diese Reaktionen durch die bloße verfügbare Energie antreibt.
Aber diese Energie ist eine endliche Ressource. Sobald der Kern des Sterns zu einer festen Eisenkugel wird, kann er keine Elemente mehr verschmelzen, um Energie zu erzeugen. Wie bei kleineren Sternen bedeuten weniger energetische Reaktionen im Kern schwerer Sterne weniger Druck nach außen gegen die Schwerkraft. Die äußeren Schichten des Sterns beginnen dann zu kollabieren, was das Tempo der Fusion schwerer Elemente beschleunigt und die Energiemenge, die zum Halten dieser äußeren Schichten verfügbar ist, weiter verringert. Die Dichte nimmt im schrumpfenden Kern exponentiell zu und klemmt Protonen und Elektronen so fest zusammen, dass daraus eine völlig neue Einheit entsteht: ein Neutronenstern.
An diesem Punkt kann der Kern nicht dichter werden. Die massiven Außenschalen des Sterns – die immer noch nach innen stürzen und immer noch voller flüchtiger Elemente sind – müssen nirgendwo mehr hin. Sie krachen in den Kern wie eine rasende Bohrinsel, die gegen eine Ziegelmauer prallt, und brechen in eine monströse Explosion aus: eine Supernova. Die bei dieser Explosion erzeugten außergewöhnlichen Energien ermöglichen schließlich die Verschmelzung von Elementen, die noch schwerer sind als Eisen, von Kobalt bis hin zu Uran.
Periodensystem. Massive Sterne können Elemente bis zu Eisen (Fe) mit der Ordnungszahl 26 verschmelzen. Elemente mit den Ordnungszahlen 27 bis 92 entstehen nach dem Kernkollaps eines massereichen Sterns.
Die von der Supernova erzeugte energetische Stoßwelle bewegt sich in den Kosmos hinaus und entlässt schwere Elemente in ihrem Sog. Diese Atome können später in Planetensysteme wie unser eigenes eingebaut werden. Unter den richtigen Bedingungen – zum Beispiel ein entsprechend stabiler Stern und eine Position innerhalb seiner Bewohnbare Zone – diese Elemente liefern die Bausteine für komplexes Leben.
Heute wird unser tägliches Leben durch genau diese Atome ermöglicht, die vor langer Zeit im Leben und Sterben massereicher Sterne geschmiedet wurden. Unsere Fähigkeit, alles zu tun – aus tiefem Schlaf aufwachen, ein leckeres Essen genießen, Auto fahren, einen Satz schreiben, addieren und subtrahieren, ein Problem lösen, einen Freund anrufen, lachen, weinen, singen, tanzen, rennen, Springen und Spielen – wird hauptsächlich durch das Verhalten winziger Wasserstoffketten in Kombination mit schwereren Elementen wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Phosphor bestimmt.
Andere schwere Elemente sind im Körper in geringeren Mengen vorhanden, aber dennoch genauso wichtig für das reibungslose Funktionieren. Zum Beispiel wirken Kalzium, Fluor, Magnesium und Silizium zusammen mit Phosphor, um unsere Knochen und Zähne zu stärken und zu wachsen; ionisiertes Natrium, Kalium und Chlor spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Flüssigkeitshaushalts und der elektrischen Aktivität des Körpers; und Eisen umfasst den Schlüsselanteil von Hämoglobin, dem Protein, das unsere roten Blutkörperchen mit der Fähigkeit ausstattet, den Sauerstoff, den wir einatmen, an den Rest unseres Körpers abzugeben.
Wenn Sie das nächste Mal einen schlechten Tag haben, versuchen Sie Folgendes: Schließen Sie die Augen, atmen Sie tief ein und betrachten Sie die Kette von Ereignissen, die Ihren Körper und Geist mit einem Ort verbindet, der Milliarden von Lichtjahren entfernt liegt, tief in der Ferne von Raum und Zeit. Denken Sie daran, dass massereiche Sterne, die um ein Vielfaches größer als unsere Sonne sind, Millionen von Jahren damit verbracht haben, Energie in Materie umzuwandeln und die Atome zu erschaffen, aus denen jeder Teil von Ihnen, der Erde und jedem, den Sie jemals gekannt und geliebt haben, besteht.
Wir Menschen sind so klein; und doch lässt der zarte Tanz von Molekülen aus diesem Sternenmaterial eine Biologie entstehen, die es uns ermöglicht, über unser breiteres Universum nachzudenken und wie wir überhaupt existieren. Carl Sagan selbst hat es am besten erklärt: „Ein Teil unseres Wesens weiß, dass wir hierher kommen. Wir sehnen uns danach, zurückzukehren; und das können wir, denn der kosmos ist auch in uns. Wir sind aus Starmaterial. Wir sind ein Weg für den Kosmos, sich selbst zu erkennen.“