Was ist das dichteste Objekt im Universum? Das hellste? Das lauteste? In seinem neuen Buch Extreme Cosmos (Perigee, 2012) enthüllt der Astronom Bryan Gaensler die kosmischen Rekordhalter dieser und vieler anderer Titel. In einem Auszug aus dem Kapitel „Extreme der Temperatur“ erklärt Gaensler die Physik hinter einigen der heißesten bekannten Sterne:
Wir alle wissen, wenn man etwas erhitzt, leuchtet es. Ein Schürhaken im Feuer leuchtet in einem matten Orange oder Rot, während eine herkömmliche (Glüh-)Glühbirne funktioniert, indem sie einen Wolframfaden auf mehrere tausend Grad erhitzt, so dass er gelb oder weiß leuchtet. Dies sind Spezialfälle eines universellen Prozesses, den der deutsche Physiker Max Planck erstmals richtig erklärt hat: Praktisch jedes Objekt (ob auf der Erde oder im Weltraum) strahlt Licht aus, und die Farbe dieses Lichts hängt mit der Temperatur des Objekts zusammen.
Wir können diesen Effekt, der als „Plancksches Gesetz der Schwarzkörperstrahlung“ bekannt ist, in Aktion sehen, wenn wir die verschiedenen Farben von Sternen betrachten. Unsere Sonne ist ein recht durchschnittlicher Stern. Seine Oberflächentemperatur von 9.900 Grad F ergibt ein gelbliches Licht, genau wie es die Planckschen Gleichungen vorhersagen.
Betelgeuse, ein heller Stern im Sternbild Orion, ist viel kühler, etwa 6.900 Grad F, und hat daher sogar für das bloße Auge einen leicht erkennbaren roten Farbton. Der hellste Stern am Nachthimmel, Sirius (auch als „Hundsstern“ bekannt), hat eine Oberflächentemperatur von etwa 18.000 Grad F, was ihm seine bläuliche Färbung verleiht.
Es gibt aber auch andere Sterne, die für das bloße Auge unsichtbar sind und viel heißer sind als Sirius. Wie wir etwas später in diesem Kapitel sehen werden, spielt sich die eigentliche Action tief im Kern eines Sterns ab, wo die wütende Kernfusion die gesamte Wärme und das Licht eines Sterns für bis zu Milliarden von Jahren erzeugt. Aber wenn ein typischer Stern schließlich seinen gesamten Brennstoff verbraucht hat, stößt er die meisten seiner äußeren Schichten in eine sich langsam ausdehnende Gashülle ab und legt den zentralen Kern frei. Dieser Kern, eine kleine dichte Kugel aus Helium, Kohlenstoff und schwereren Elementen, verbrennt zwar kein Gas mehr durch Kernfusion, ist aber immer noch unglaublich heiß. Diese sterbende Glut, die als „Weißer Zwerg“ bezeichnet wird, gehört nun zu den heißesten Sternen im Universum, so heiß, dass sie die umgebende Hülle aus ausgestoßenem Gas erhellt und eine herrlich glühende Wolke bildet, die als „planetarischer Nebel“ bezeichnet wird.“
Wie heiß ist nun ein neu entstandener Weißer Zwerg? Der derzeitige Rekordhalter befindet sich im Herzen eines wunderschönen planetarischen Nebels. Diese glühende Gaswolke, die von Astronomen als „NGC 6537“ bezeichnet wird, aber eher als „Roter Spinnennebel“ bekannt ist, befindet sich in etwa 2.000 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Schütze. (Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die man in einem Jahr zurücklegen kann, wenn man sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, insgesamt also knapp 6 Billionen Meilen. 2.000 Lichtjahre sind also etwa 12.000 Billionen Meilen!)
Der zentrale Weiße Zwerg im Roten Spinnennebel konnte bis ins 20. Jahrhundert hinein nicht entdeckt werden, und seine Temperatur blieb unbekannt. Es gibt zwei Gründe, warum solche Sterne so schwer zu sehen sind. Erstens handelt es sich um winzige Objekte, die sich im Zentrum glühender, leuchtender Wolken befinden, die sie umgeben. Oft verbergen die Helligkeit und die Komplexität eines planetarischen Nebels seinen Zentralstern.
Der andere Grund ist jedoch, dass die extreme Hitze des Sterns selbst ihn paradoxerweise fast unsichtbar macht. Wie wir oben gesehen haben, besagt das Plancksche Gesetz der Schwarzkörperstrahlung, dass die Temperatur eines Objekts seine Farbe bestimmt. Sirius ist mit einer Oberflächentemperatur von 18.000 Grad F so heiß, dass er blau leuchtet.
Was passiert, wenn ein Stern noch heißer ist als der blaue Sirius? In solchen Fällen gilt zwar immer noch das Plancksche Gesetz, aber das daraus resultierende Leuchten hat eine Farbe, die außerhalb des Bereichs liegt, für den unsere Augen oder gewöhnliche Teleskope empfindlich sind. Vor allem Objekte, die viel heißer sind als Sirius, leuchten im ultravioletten oder Röntgenlicht. Die unterschiedlichen Temperaturen und ihre Verbindung zur Farbe durch das Gesetz der Schwarzkörperstrahlung zeigen, dass scheinbar unterschiedliche Phänomene wie ultraviolettes Licht und Röntgenstrahlen in Wirklichkeit nur Teile des breiten elektromagnetischen Spektrums sind. Das elektromagnetische Spektrum beschreibt eine ganze Reihe verschiedener Farben, die weit über das Licht hinausgehen, das wir mit unseren Augen sehen können.
Weiße Zwerge liegen also tief in ihren planetarischen Nebeln verborgen und sind so heiß, dass sie kaum sichtbares Licht aussenden, sondern hauptsächlich im ultravioletten und röntgendurchlässigen Teil des Spektrums strahlen. So ist es nicht verwunderlich, dass der überhitzte Stern im Zentrum des Roten Spinnennebels viele Jahrzehnte lang unsichtbar blieb. Dies änderte sich 2005, als Mikako Matsuura und Kollegen mit Hilfe des leistungsstarken Hubble-Weltraumteleskops, das sich in einer Umlaufbahn über der Erdatmosphäre befindet, einen winzigen Lichtfleck identifizierten, der dem Weißen Zwerg im Herzen der Roten Spinne entspricht. In dieser und weiteren Studien konnten die Astronomen die Farbe des Sterns genau messen und dann mit Hilfe des Planckschen Gesetzes über die Strahlung schwarzer Körper seine Temperatur berechnen.
Die Ergebnisse sind erstaunlich – die Oberflächentemperatur des Sterns im Zentrum des Roten Spinnennebels beträgt unglaubliche 540.000 Grad F, mehr als 50 Mal heißer als die Sonne und 30 Mal heißer als der mächtige Sirius.
Dieser erstaunliche Stern mit seiner extremen Temperatur und dem spektakulären leuchtenden Nebel, der ihn umgibt, ist von mehr als nur akademischem Interesse. Denn wenn wir die Rote Spinne betrachten, sehen wir unser zukünftiges Schicksal. In etwa 5 Milliarden Jahren wird auch der Sonne der Brennstoff ausgehen und sie wird ebenfalls ihre äußeren Schichten abwerfen. Alles, was von unserem Stern und seinem Sonnensystem übrig bleiben wird, wird ein wunderschöner planetarischer Nebel sein, der von einem intensiv heißen Weißen Zwerg in seinem Zentrum beleuchtet wird.
Abgedruckt aus Extreme Cosmos von Bryan Gaensler nach Absprache mit Perigee, einem Mitglied der Penguin Group (USA) Inc, Copyright (c) 2011 von Bryan Gaensler.