Sternentstehung

Die Theorien zur Sternentstehung sind eines der wichtigsten Forschungsgebiete in der modernen Kosmologie und Astrophysik. Wie sind die Sterne entstanden? Wann sind sie entstanden und woraus bestehen sie? Und wie können wir das eigentlich wissen?

Durch Weltraumteleskope wie Hubble, Herschel und Spitzer konnten auf diesem Gebiet viele neue Erkenntnisse gewonnen werden. Und auch das Ende 2021 gestartete James-Webb-Teleskop hat hierzu bereits viele neue und interessante Entdeckungen gemacht.

Doch die grundlegenden Theorien zur Entstehung der Sterne wurden bereits Ende des 18. bis Anfang des 20. Jahrhunderts erforscht:

Die zu dieser Zeit deutlich verbesserten Teleskope ermöglichten Astronomen die genauere Beobachtung von weit entfernten Gasnebeln und Sternensystemen.
Hier sind insbesondere die Arbeiten von Wilhelm Herschel von großer Bedeutung. Herschel fielen am Nachthimmel große Gebiete auf, die überhaupt keine Sterne enthalten und von ihm als „Löcher im Himmel“ dokumentiert wurden.
Ein weiterer wichtiger Fortschritt erfolgte durch die Astrofotografie, vor allem durch Edward Barnard, welcher einen Katalog dieser Dunkelwolken aufstellte.
Durch die Arbeiten von Bart J. Bok wurden diese Gebiete ab 1947 als Geburtsstätte für Sterne erkannt.
Diese Deutung gilt auch nach den Beobachtungen durch die modernen Weltraumteleskope (Hubble, Spitzer, James Webb) als der wahrscheinlichste Mechanismus, wie die Sterne und auch die Sonne entstanden sind.

Hier fassen wir die wichtigsten Informationen zum Thema Sternentstehung zusammen. Wir gehen auf die wichtigsten Entdeckungen ein und werfen einen Blick auf die noch offenen Fragen in der Theorie zur Entstehung der Sterne. Dabei gehen wir unter anderem auf diese Punkte und Fragen ein:

Die Kapitel im Überblick

Wie entstehen Sterne?

Riesige Wolken aus Gas und Staub, die sich aufgrund der eigenen Schwerkraft zusammenziehen. Im Laufe von Millionen Jahren nimmt dadurch die Dichte im Inneren dieser Molekülwolken immer weiter zu.

Schließlich verdichten sich manche dieser Nebel so weit, dass sie durch die eigene Schwerkraft in sich kollabieren: Die Gas- und Staub-Partikel verbinden sich zu einem Protostern. Dieser zieht über viele weitere Millionen Jahre weitere Teilchen an und gewinnt dadurch immer mehr an Masse.

Dies führt dazu, dass im Kern des Protosterns auch die Temperatur immer stärker ansteigt, bis auf mehrere Millionen Grad. Diese gewaltigen Temperaturen ermöglichen nukleare Reaktionen: Kernfusion von Wasserstoff zu Helium wird möglich und ein neuer Stern ist entstanden.

Dies ist sehr vereinfacht der Mechanismus, wie die Entstehung von Sterne erfolgt. Im Kapitel Theorien und Modelle zur Sternentstehung schauen wir genauer, wie das in Einzelnen funktioniert.
Zunächst gehen wir aber auf einige wichtige Fragen zum Thema Sternentstehung ein, nämlich:

Was genau sind Sterne, also wie definieren wir das astronomische Objekt Stern?
Woraus bestehen Sterne?
Und seit wann gibt es eigentlich Sterne?

Wann sind die ersten Sterne entstanden?

Nach der modernen Astronomie gilt es als relativ sicher, dass die ersten Sterne etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind. Auch der Mechanismus, der zur Entstehung von Sternen führt, gilt als erforscht: Die einzelnen Schritte im Prozess der Sternentstehung sind in der Theorie verstanden und können durch ein Modell beschrieben werden, welches durch alle bisher gemachten Beobachtungen gestützt wird.

Aber wieso und wie genau können Astronomen und Astrophysiker dies eigentlich wissen? Schließlich gab es 200 Millionen Jahre nach dem Urknall, also vor etwa 13,6 Milliarden Jahren, noch gar keine Menschen. Auch können selbst die besten Weltraumteleskope nicht so viele Lichtjahre weit schauen, dass wir damit den Entstehungsprozess der ersten Sterne beobachten könnten.

In der Tat ist die Frage, wie die Entstehung der ersten Sterne erfolgte, nicht ohne Annahmen und Schlussfolgerungen zu beantworten. Mit Weltraumteleskopen und auch mit Bodenteleskopen ist es allerdings möglich, die Entstehung von Sternen, wie sie vor einigen Milliarden Jahren stattgefunden hat, zu beobachten: Das Licht aus sehr entfernten Galaxien war nämlich so lange unterwegs, bevor es Teleskope wie Hubble, Spitzer oder auch das JWST erreicht.

Blick in die Vergangenheit

Wir erinnern uns: 1 Lichtjahr ist eine Entfernungseinheit, und entspricht ungefähr 9,46 Billionen Kilometer (9,46 × 10¹² km). Es ist aber auch die Entfernung, für welche das Licht genau 1 Jahr braucht, um diese Strecke zurückzulegen.

Für eine Entfernung von 5 Milliarden Lichtjahren benötigt das Licht entsprechend 5 Milliarden Jahre. Wenn Weltraumteleskope oder Bodenteleskope Galaxien beobachten, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind, schauen sie damit also auch in die Vergangenheit.

Und indem Astronomen die Daten von vielen unterschiedlich weit entfernten und unterschiedlich alten Galaxien und Sternen auswerten, ist es so auch möglich, die Stadien zu rekonstruieren, durch die sich aus einem Gasnebel zunächst ein Protostern und dann ein Stern bildet. Siehe hierzu auch das Kapitel Schritte im Prozess der Sternentstehung.

Diese verschiedenen Schritte im Entstehungsprozess von Sternen können dann zu einer Theorie zusammengesetzt werden, aus der sich ein Modell zur Sternentstehung ergibt. Der aktuelle Wissensstand zur Entstehung von Sternen ist deshalb die Theorie, welche am besten mit allen bisherigen Beobachtungen und theoretischen Erkenntnissen überstimmt.

Dieses gilt im Übrigen für fast alle Gebiete in der Physik und auch anderen Naturwissenschaften: Ein Modell beschreibt den aktuellen Wissensstand und kann nicht für alle Zeiten und allgemein gültig sein. Werden neue Beobachtungen oder Feststellungen gemacht, welche dem Modell widersprechen, muss das Modell entsprechend korrigiert werden.

Tatsächlich gibt es schone heute mehrere Fragen, die zum Thema Sternentstehung nicht komplett verstanden sind. Doch sind diese nicht so schwerwiegend, dass deswegen das ganze Modell verworfen werden müsste.

Im Folgenden fassen wir zusammen, wie das aktuelle Modell zur Entstehung von Sternen entstanden ist und welche Entdeckungen, Beobachtungen und Theorien dazu geführt haben. Dann gehen wir genauer auf die einzelnen Schritte im Mechanismus der Sternentstehung ein, wie sie heute als am wahrscheinlichsten gelten. Und schließlich werfen wir einen Blick auf die noch offenen Punkte und Fragen, die aktuell Gegenstand der Forschung sind.

Woraus bestehen Sterne?

Wasserstoff und Helium sind die hauptsächlichen Bestandteile der Sterne. Dabei macht Wasserstoff ca. 71 bis 73 Prozent der Masse von Sternen aus, Helium etwa 25 bis 27 Prozent. Die übrigen ca. 2 Prozent entfallen auf: Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Eisen.

Die beiden leichtesten Atome, Wasserstoff und Helium, sind gleichzeitig auch ein Hinweis auf die gewaltige Energiequelle der Sterne:

Sterne sind Fusionsreaktoren

In Sternen verbinden sich fortlaufend riesige Mengen von Wasserstoff durch Kernfusion zu Helium.
Dabei reagieren jeweils immer 4 Wasserstoffatome zu einem Helium-Atom. Diese Fusion von Wasserstoff zu Helium ist ein mehrstufiger Prozess, welcher vereinfacht durch diese Gleichungen beschrieben wird:

¹H + ¹H → ²H

²H + ¹H → ³He

³He + ³He → ⁴He + 2 ¹H

Diese Kernfusion liefert die Energie, welche vor allem auch das Entstehen von Leben auf der Erde ermöglicht hat. Und es ist auch die Reaktion, über die ein Stern definiert wird: Im Inneren eines Sterns findet Kernfusion statt. Diese Definition eines Sterns ist auch gerade für die Theorie der Sternentstehung sehr wichtig.