Astro-Lexikon Z 2

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Ursprünglich ein Begriff der Thermodynamik. In der Astronomie sollte man präziser von stellaren Zustandsgrößen sprechen. Es handelt sich dabei um Kenngrößen, die einen Stern charakterisieren und ihn - analog zu den Quantenzahlen in der Klassifikation von Teilchen - einer bestimmten Gruppe zuordnen.

Unter welchen Namen werden Sterne eingruppiert?

Die Sterne werden so beispielsweise in Gruppen eingeteilt, die folgende Namen tragen: AGB-Sterne, Bosonensterne, B-Sterne, Braune Zwerge, Cepheiden, Gravasterne, Hauptreihensterne, Herbig-Haro-Objekte, Holosterne, kataklysmische Veränderliche, kompakte Objekte, Leuchtkräftige Blaue Veränderliche, Magnetare, Mikroquasare, Neutronensterne, O-Sterne, Protosterne, Pulsare, Quarksterne, Röntgendoppelsterne, Rote Riesen, Rote Zwerge, RR Lyrae-Sterne, Seltsame Sterne, stellare Schwarze Löcher, Symbiotische Sterne, T Tauri-Sterne, Überriesen, Vakuumsterne, Veränderliche, Weiße Zwerge, Wolf-Rayet-Sterne, Zwerge.

Die wichtigsten stellaren Zustandsgrößen sind:

• Masse,
• Leuchtkraft,
• Spektraltyp,
• Radius,
• Effektivtemperatur,
• Zentraltemperatur,
• Rotation,
• mittleres Magnetfeld,
• mittlere Dichte,
• Zentraldichte,
• chemische Zusammensetzung,
• Helligkeit,
• Farbe,
• Alter (Alter null beispielsweise bei Erreichen der Hauptreihe, ZAMS),
• Variabilität,
• Maximalgeschwindigkeiten von Sternwinden,
• Besonderheiten,
• etc.

Natürlich hängen diese Zustandsgrößen miteinander physikalisch zusammen. Einen engen Zusammenhang gibt es zwischen Effektivtemperatur, Spektraltyp und Farbe. Diese Zustandsgrößen sind mehr oder weniger äquivalent und daher austauschbar. Das erklärt die unterschiedlichen Möglichkeiten, das Hertzsprung-Russell-Diagramm der Sterne zu zeichnen.
Leuchtkraft, Effektivtemperatur und Radius haben eine Abhängigkeit voneinander (siehe Gleichung unter Eintrag Effektivtemperatur) und führen auf eine Einteilung in Yerkes-Leuchtkraftklassen.

eine tolle Sache: Relationen zwischen Zustandsgrößen

Von besonderer Relevanz in der Stellarphysik sind Masse-Radius-Relationen, die man in Sternmodellen unter der Annahme spezieller Zustandsgleichungen für die Sternmaterie ableitet.
Von vergleichbarer Relevanz sind die Masse-Leuchtkraft-Relationen. Die schwierig zu bestimmende Sternmasse kann mit dieser Beziehung direkt aus der Leuchtkraft gewonnen werden. Gelingt es einem Astronomen umgekehrt, die Masse eines Sterns durch indirekte Methoden z.B. mittels Kepler-Gesetzen in einem Doppelsternsystem zu bestimmen, so kann er auf der Grundlage dieser Relation sofort angeben, wie hoch seine Leuchtkraft ist. Jüngst wurde dieses Forschungsfeld erschüttert, weil sich herausgestellt hat, dass die übliche Masse-Leuchtkraft-Relation für massearme Sterne nicht mehr gilt (Close et al., Nature 433, 286, 2005). Massearm meint einen Massebereich knapp oberhalb von 0.08 Sonnenmassen, also denjenigen an der 'Schwelle zum Stern'. Diese neuen Messungen wurden mittels hochpräzisen Beobachtungsmethoden der Adaptiven Optik (AO) ermöglicht. Sie besagen, dass bislang die Masse substellarer Objekte wie von Braunen Zwergen und massearmen Sternen unterschätzt wurde (vorausgesetzt die Masse wurde aus der Masse-Leuchtkraft-Relation abgeleitet): In Wahrheit sind sie massereicher.

Wie schwer werden Sterne?

Am massereichen Ende der Sterne gibt es auch neue Messdaten, die den theoretischen Stellarphysikern Kopfzerbrechen bereiten. Hintergrund ist die Frage, wie schwer ein Stern überhaupt werden kann. In der Theorie wurden durchaus Sterne mit bis zu 1000 Sonnenmassen diskutiert. Beobachtet wurden dagegen maximale Massen zwischen 100 und 150 Sonnenmassen. Es gibt bislang keine Einigkeit über einen exakten, theoretischen Wert.
Supersterne wie η Carinae oder der Pistolenstern (siehe Foto rechts, aufgenommen mit dem Weltraumteleskop Hubble, Credit: Don F. Figer, UCLA, NASA, 1997) - beides Leuchtkräftige Blaue Veränderliche (LBVs) mit enormen Sternwinden - belegen, dass es 'Sterngiganten vom Kaliber 100 Sonnenmassen' auch im nahen Universum gibt.
Aktuell gibt es neue Beobachtungsdaten aus einem jungen Sternhaufen, dem Arches-Cluster (Figer, Nature 434, 192, 2005; auch als ePrint erhältlich: astro-ph/0503193). Das Resultat ist, dass in dieser dichten Ansammlung von Sternen kein Stern schwerer als 130 Sonnenmassen ist. Daraus folgt allgemein für Sterne, dass ihre empirische Obergrenze nicht 150 Sonnenmassen überschreitet. Das zwingt die Theoretiker, die obere Grenzmasse für Sterne genauer anzugeben.

kurze Anmerkungen zu einigen Zustandsgrößen

• Eine hohe Rotation kann starke Magnetfelder in Dynamo-Prozessen 'aufziehen'. Dieses Phänomen ist prominent bei schnell rotierenden Neutronensternen (Pulsar-Magnetosphäre).
• Die mittlere Dichte ist bei kleinen Objekten (kleinen Radien) oft größer, weil sie kompakter sind.
• Sternwinde können durchaus stark von der Kugel- oder Axialsymmetrie abweichen und sogar 'klumpig' sein.
• Die chemische Zusammensetzung von Sternen kann sehr leicht aus den Sternspektren abgeleitet werden. Dies ist ein Aufgabengebiet der klassischen Astronomie.
• Helligkeit und Leuchtkraft müssen klar differenziert werden. Das Entfernungsmodul setzt dabei absolute und scheinbare Helligkeit über die Entfernung miteinander in Beziehung.

Stellarphysik bündelt viele Facetten der Physik

Das Betätigungsfeld der Stellarphysik kann weiterhin in Sternentstehung und Sternentwicklung untergliedert werden. Die stellaren Zustandsgrößen dienen hierbei als wesentliche Charakterisierungs- und Klassifizierungsmerkmale. Wie die Diskussion in diesem Eintrag zeigt, ist der Sternenzoo sehr vielfältig. Die Sternenphysik berührt so sehr unterschiedliche Bereiche der Physik, wie klassische Gasdynamik, Thermodynamik, Atom- und Molekülphysik, Hydrodynamik, Magnetohydrodynamik, Kernphysik, Quantenfeldtheorien und Relativitätstheorie.

Zwerge (engl dwarfs) sind in der Astronomie sehr zahlreich, und es gibt sie in vielen Farben. Schneewittchen hätte seine wahre Freude gehabt! Normalerweise sind mit Zwergen Sterne gemeint. Manchmal sagt man auch Zwergsterne, um sie klar von Zwerggalaxien, also recht kleinen Galaxien, abzuheben.

Zwergsterne

Die Bezeichnung geht darauf zurück, dass alle stellaren Zwerge in ihrer Ausdehnung viel kleiner sind als andere Sterne. Sie können allerdings recht heiß sein. Trotzdem bleibt ihre Leuchtkraft aufgrund ihrer kleinen physischen Größe eher gering, weshalb sie im fundamentalen Hertzsprung-Russell-Diagramm der Sterne im unteren Bereich zu finden sind. In der Terminologie der Yerkes-Leuchtkraftklassen haben Zwerge die römische Ziffer VI.

bunte Zwergenschar!

Astronomen unterscheiden verschiedene Zwerge anhand ihrer Sternfarben, die tatsächlich mit den Emissionscharakteristika zusammenhängen:

• Braune Zwerge,
• Gelbe Zwerge, wie beispielsweise die Sonne,
• Rote Zwerge,
• die dunkelste Form, die Schwarzen Zwerge
• und schließlich die Weißen Zwerge.

Zwergplaneten ist ein neu definierter Begriff für kleine Planeten, wie z.B. Pluto.

Das Zwillingsparadoxon ist ein Paradoxon, das in der Physik der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) auftritt. Es wird gerne in der Science-Fiction-Literatur verwendet.

Worum geht's?

Das Zwillingsparadoxon beschreibt, ein Gedankenexperiment, bei dem Zwillinge nach ihrer Geburt getrennt werden und unterschiedliche Wege gehen. Einer verbleibt auf der Erde, während der andere eine Reise in die Tiefen des Universums mit einem Superraumschiff antritt. Das Superraumschiff ermögliche es dem abenteuerlustigen Probanden fast mit Lichtgeschwindigkeit zu fliegen, so dass aufgrund der (speziell relativistischen) Zeitdilatation bei seiner Rückkunft auf der Erde eine um den Lorentz-Faktor (Gamma-Faktor Γ oder γ) gedehnte Zeitspanne vergangen sein müsste. Der auf der Erde verbliebene Zwilling müsste also weit älter sein als sein gereister Zwilling!
Umgekehrt kann mit der gleichen Berechtigung (aufgrund des Relativitätsprinzips) der auf der Erde verbliebene Zwilling behaupten, er habe sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, während sein Pendant im Raumschiff in Ruhe verharrte. Somit wäre demzufolge der im Raumschiff gereiste Zwilling wesentlich älter als der auf der Erde!

Das Paradoxon...

Diese scheinbare Austauschbarkeit (Symmetrie) beider Zwillinge ist das Widersinnige am Paradoxon.

...und seine Auflösung

Das Paradoxon löst sich auf, wenn man berücksichtigt, dass eine wichtige Voraussetzung der SRT verletzt wurde: das Raumschiff war, weil es sich beschleunigt bewegt hat, nicht während der gesamten Reise ein Inertialsystem. Die Rollen der Zwillinge sind nicht austauschbar, weil der eine auf der Erde relativ in Ruhe verharrte, aber der andere Zwilling bei seinem Raumflug beschleunigen, abbremsen und wieder beschleunigen musste, um zur Erde zurückzukehren.

Dieses kosmologische Modell (engl. Cyclic Universe) von der Entstehung und Entwicklung des Universums stellt eine Alternative zur Inflation dar, die ihrerseits das klassische Urknall-Modell ergänzt. Die Physiker Paul Steinhardt und Neil Turok wenden dabei den Formalismus der Stringtheorien an, was aber nicht zwingend ist: eine vierdimensionale Feldtheorie würde ebenso die Rechnungen ermöglichen. Sie behaupten, dass unser Universum aus dem Zusammenprall zweier Universen, einer Branen-Kollision, hervorgegangen sei!

Was ist daran zyklisch?

Diese Kollision soll einen Urknall bewirken, so dass das Phänomen Urknall erstmals in kosmologischen Modellen erklärbar wird. Die beiden Theoretiker haben das Modell einer einzelnen Kollision Ekpyrotisches Szenario getauft - in Analogie zum Weltenbrand (ekpyrosis) in der Stoischen Lehre der Antike. Die Erweiterung dieses Szenarios ist, dass diese Kollisionen nicht nur einmal, sondern immer wieder im Verlauf von Äonen auftreten. Dann heißt es Zyklisches Universum.

Universum & Paralleluniversum

Die String-Kosmologie wird folgendermaßen angewendet: die Raumzeit dieser kosmischen Bühne, auf der sich die Kollision ereigne, sei fünfdimensional (5D). Die Stringtheoretiker nennen dieses 5D-Gebilde in der Fachsprache den Bulk. Nun gibt es zwei begrenzende vierdimensionale (4D) 'Wände' dieser 5D-Raumzeit: sie heißen die Branen (eine Zeit-, drei Raumdimensionen: 3-Bran). Jede dieser Wände repräsentiere ein Universum: das eine sei das Vorläuferuniversum unseres heutigen Universums, das andere sei ein Paralleluniversum. Es sei nun denkbar, dass die beiden Universen nur auf der Planck-Skala voneinander entfernt wären, jedoch wären sie über eine weitere, höhere Raumdimension, einer Extradimensionen, getrennt!
Nur die Gravitation könne zwischen den Universen vermitteln und durch die fünfdimensionale Raumzeit gelangen. Auf diese Weise könne sich Dunkle Materie des Nachbaruniversums im Unsrigen bemerkbar machen. Materie und Strahlung blieben auf ihr jeweiliges Universum beschränkt.

Radion-Feld lässt Universen schwingen

Die Ursache für die Kollision der Welten (ekpyrosis) wird in einem Kraftfeld gesehen, das ohnehin eine entscheidende Rolle im Kosmos zu spielen scheint: Dunkle Energie. Diese Energieform ist vorherrschend im beobachteten, späten Universum, wie Messungen (Experimente: BOOMERANG, MAXIMA, COBE, WMAP etc.) nahe legen. Sie übertrumpft sogar die uns vertraute sichtbare, baryonische Materie plus heiße und kalte Dunkle Materie um einen Faktor 2! Steinhardt postuliert ein Kraftfeld, das er Radion nennt. Es manifestiere sich als zeitliche variable Dunkle Energie, also eine neue Form von Quintessenz. Das Radion-Feld existiere in allen Bereichen der 5D-Raumzeit zwischen den beiden 3-Branen. Da das Radionfeld fluktuiert, induziere es Abstandsänderungen der berandenden Universen: Die Branen seien dynamisch, und es bilde sich durch die spezielle Potentialform des Feldes ein Zyklus aus Annäherung, Kollision und Entfernung aus. Diesen zyklischen Ablauf identifiziert man mit dem Begriff des Zyklischen Modells (illustriert im Schema oben). Mit jedem Urknall, der einen Anfang eines Universums bedeute, sei damit ein vorangegangener 'Endknall' assoziiert, der ein bislang existierendes Universum auslösche. Mit der Krümmungssingularität im Urknall sei daher ein verschwindender Abstand der Universen in der fünften Dimension verbunden: Der Raum kollabiere nur in einer Extradimension!

immer währender Zyklus?

Dies ist eine ganz wichtige Folgerung des Zyklischen Modells und ein entscheidender Unterschied zur bisherigen Sichtweise des Urknalls, wo der Raum in allen Dimensionen kollabiert. Denn das bedeutet für die wesentlichen physikalischen Parameter Temperatur und Dichte, dass sie endlich blieben und nicht divergieren. Im Kollaps wurde eine Temperatur von 10²³ Kelvin abgeleitet. Nach der Kollision laufen die Branen in der fünften Dimension wieder auseinander. Steinhardt und Turok fanden eine so genannte Attraktor-Lösung, die es ermögliche, dass sich die Zyklen beliebig häufig wiederholen.

Bewertung des Modells

Das Zyklische Universum ist ein reizvoller Vorschlag in der modernen, theoretischen Kosmologie. Attraktiv daran ist, dass es die Verhältnisse vor dem Urknall modelliert. Die scheinbar naive Frage 'Was war vor dem Urknall?', die früher mit dem Etikett 'Frage nicht erlaubt.' abgewiesen wurde, könnte nun mit einem dynamischen Bulk-Branen-System beantwortet werden. Wer besonders pfiffig ist, mag dann jedoch weiter fragen: 'Und woher kommt das Bulk-Branen-System?'
Ähnlich wie bei den Quintessenzen gestattet das Radion-Feld als dynamische Form der Dunklen Energie die Lösung der Frage, weshalb die kosmologische Konstante so klein, aber nicht null ist - auch das ist ein Vorteil des Modells.
Aber das Modell ist auch sehr spekulativ: Extradimensionen, die im Zyklischen Modell unbedingt erforderlich sind, wurden bislang nicht experimentell nachgewiesen. Selbst wenn die Forscher sich irgendwann einmal von der Existenz der Extradimensionen überzeugt haben, bleibt die Frage, wie ein solch abenteuerliches Modell getestet werden soll. Denn für einen experimentellen Test müste Information aus dem Vorläuferzustand in unser jetztiges Universum gelangen. Laut Zyklischem Modell käme dafür als einziger Überträger nur die Gravitation in Frage. Man darf wohl sehr skeptisch sein, wie das im Detail funktionieren soll.

Weitere Informationen

• Vortrag: An introduction to Brane World Cosmology (Stand März 2004).
• Homepage von Paul J. Steinhardt
• Veröffentlichungen Steinhardt, Turok und Kollegen: astro-ph/0112537, astro-ph/0204479, hep-th/0111030, hep-th/0103239, astro-ph/0605173, hep-th/0607164.

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© Andreas Müller, August 2007

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