Welche verschiedenen Sterntypen und Spektralklassen gibt es? Von Weißen Zwergen und Roten Riesen haben wohl die meisten schon gehört. Und auch, dass unsere Sonne ein Stern der Spektralklasse G2 ist, dürfte manchen bekannt sein. Doch wie viele verschiedene Typen und Klassen von Sternen gibt es eigentlich?
Wie hängen diese mit der Leuchtkraft, der Temperatur, der Größe und dem Alter eines Sterns zusammen? Und was haben die Sterntypen und Spektralklassen wiederum damit zu tun, ob in einem Sternensystem eventuell Leben möglich ist?
Die Klassifizierung der Sterne anhand ihrer charakteristischen Daten ist eine der wichtigsten Methoden, um die Astrophysik und die Kosmologie von Sternen zu verstehen. Die Größe, Masse, Leuchtkraft und Temperatur sowie insbesondere das ausgesandte Licht sagen uns viel über die Entstehung und Entwicklung von Sternen. Und es ermöglicht uns sogar, weit entfernte Sternensysteme und deren Exoplaneten zu erforschen.
Wie funktioniert das genau? Welche Daten und Informationen enthält das Lichtspektrum eines Sterns? Welche weiteren Methoden waren für die Klassifikation von Sternen entscheidend?
In diesem Artikel geben wir einen Überblick der wichtigsten Informationen und Daten zum Thema Spektralklassen und Typen von Sternen. Dabei gehen wir auf die wissenschaftlichen Hintergründe entsprechend der historischen Entwicklung der Forschung ein. Wir versuchen also, die wichtigsten Entdeckungen auf dem Gebiet in der zeitlichen Reihenfolge darzustellen.
Und wir wollen mit den folgenden Kapiteln vor allem auch diese Fragen beantworten:
- Welche verschiedenen Sterntypen und Spektralklassen gibt es?
- Was sind Hauptreihensterne?
- Zu welcher Spektralklasse gehört unsere Sonne?
- Wie viele Sterne mit einem Spektraltyp ähnlich wie die Sonne gibt es?
- Welche weiteren Spektralklassen ermöglichen eventuell die Existenz von Leben?
- Was sind Weiße Zwerge und Rote Riesen?
- Wie wird sich die Sonne in den nächsten Millionen Jahren entwickeln?
- Wird unsere Sonnen immer heißer und größer und irgendwann in einer Supernova explodieren?
- Oder wird die Sonne irgendwann verglühen und dann zu einem Roten Riesen oder einem Weißen Zwerg?
- Wie verläuft allgemein die Entwicklung und der Lebenszyklus von Sternen?
- Was sind Neutronensterne? Aus welchen Sternen können sich Schwarze Löcher bilden?
- Und was hat all dies mit dem Hertzsprung-Russell Diagramm zu tun?
Klassifizierung der Sterne
Tausende von Sternen befinden sich am Nachthimmel. Mit dem bloßen Auge erkennt man, dass einige sehr viel größer und heller sind als andere. Eventuell sieht man bei guten Bedingungen auch Unterschiede in der Farbe. Viele Sterne sind jedoch so klein und leuchten so schwach, dass sie nur mit technischen Hilfsmitteln zu sehen sind.
Mit Fernrohren kann man bereits erheblich mehr Sterne erkennen. Und man kann auch verschiedene Farben für die Sterne ausmachen, wie vor allem Weiß, Gelb, Rot und Blau.
Und mit modernen Instrumenten wie Bodenteleskopen und Weltraumteleskopen kann man noch viele weitere Unterschiede in den Millionen und Milliarden von Sternen erforschen.
Diese Teleskope haben Spiegel mit Durchmessern von 0,5 m bis über 10 m und können so das Licht eines Sterns sammeln, bündeln und sehr viel genauer untersuchen. Insbesondere die spektrale Analyse des von einem Stern ausgesandten Lichts ermöglicht es, die Sterne zu Klassen zusammenfassen.
Wie funktioniert das genau?
Spektrale Analyse von Sternen
Das Licht eines Sterns wird durch ein Prisma in die verschiedenen Farben zerlegt. Hier sieht man noch deutlicher, welche Farbe im Spektrum dominiert.
Auch fällt auf, dass an manchen Stellen (also Wellenlängen) schwarze Linien im Spektrum erscheinen. Dies sind die Absorptionslinien von ganz bestimmten chemischen Elementen, welche sich in an der Oberfläche des Sterns befinden.
Die von einem Stern ausgehende elektromagnetische Strahlung wird durch Kernfusion im extrem heißen Sterninnern erzeugt. Wenn die Strahlung die erheblich kältere Oberfläche passiert, absorbieren dort Atome die Strahlungsenergie an den für die jeweiligen Elemente charakteristischen Wellenlängen.
Die folgende Abbildung zeigt das Lichtspektrum der Sonne im für das menschliche Auge sichtbaren Bereich (etwa 380 bis 750 nm). Die schwarzen Absorptionslinien resultieren aus den chemischen Elementen in der Atmosphäre der Sonne und sind nach dem Alphabet gekennzeichnet. Die Absorptionslinien im Sonnenspektrum werden oft auch nach ihrem Entdecker Joseph von Fraunhofer als Fraunhoferlinien bezeichnet.
Historische Entwicklung
Die ersten spektralen Analysen von Sternen wurden gemacht, indem ein Prisma hinter ein Fernrohr in den Strahlengang des Sternenlichts gestellt wurde.
Später war es möglich, die Spektren durch fotografische Methoden zu untersuchen.
Die Astrofotografie und Astronomische Spektroskope entwickelten sich ab etwa 1860 rasant und waren entscheidend für viele Entdeckungen der modernen Astronomie, insbesondere auch für die Klassifizierung der Sterne.
Eine weitere Verbesserung der spektralen Analysen von Sternen gelang durch die genaue quantitative Untersuchung des Sternlichtes. Ab ca. 1900 wurden Messgeräte entwickelt, welche den photoelektrischen Effekt nutzten und das einfallende Licht in elektrischen Strom umwandeln konnten. Die Intensität des Lichtes als Funktion der Wellenlänge konnte mit solchen Spektrometern sehr genau gemessen werden.
Über mehrere Jahrzehnte wurden von zahlreichen Forschern Tausende von Sternspektren untersucht. Und schon bald wurde so ein Zusammenhang des Spektrums mit andern charakteristischen Größen des Sterns festgestellt:
- die Größe und die Leuchtkraft eines Sterns verändern insgesamt die Intensität des Spektrums.
- die Temperatur eines Sterns bestimmt dessen Farbe und damit auch, bei welchen Wellenlängen im Spektrum die meiste Intensität ausgestrahlt wird.
- Die Absorptionslinien in den Spektren erscheinen bei manchen Gruppen von Sternen an den gleichen Stellen. Da diese Linien charakteristisch für die chemischen Elemente sind, ist folglich auch die Zusammensetzung dieser Sterne sehr ähnlich.
Die ersten Fortschritte in der spektralen Analyse von Sternen verliefen parallel zu bedeutenden Entdeckungen und Erkenntnissen, welche in dieser Zeit in der Physik gemacht wurden. Hier sind insbesondere die Schwarzkörperstrahlung, das Wiensche Verschiebungsgesetz und generell das Verstehen der Emission und Absorption von Licht durch Atome zu nennen.