9. Kurstag: Exoten des Nachthimmels

Wahrhaft exotische Objekte, die quasi am Rande der modernen Physik existieren, waren Gegenstand des 9. Kurstages. Sie markieren den Endpunkt eines Sternenlebens. Und eine überraschende Erkenntnis: Diese seltsamen Objekte bzw. ihre Auswirkungen sind sogar für Amateurastronomen am Nachthimmel beobachtbar!

Am Ende eines Sternenlebens, wenn dem Stern der Kernbrennstoff ausgeht, wandeln sich die sterbenden Sonnen zu sehr bizarren Gebilden. Aber welche Art von Sternenendprodukt dabei entsteht, hängt entscheidend von der Masse des Sterns ab.

Sterne mit weniger als dem Achtfachen unserer Sonnenmasse hinterlassen einen sogenannten Weißen Zwerg. Er stellt den inaktiven Sternenkern dar und weist ungefähr nur Erdgröße auf. Er besteht aus sog. entarteter Materie mit hoher Dichte. Etwa ein Kubikzentimeter dieses Stoffes weist eine Masse von einer Tonne (!) auf.
Ein weißer Zwerg besitzt eine dreischalige Struktur: Außen befindet sich eine Wasserstoffschale, darunter ein Mantel aus Helium und sein Kern besteht aus Kohlenstoff, welches bei der Heliumfusion (s. Triple-Alpha-Prozess) entstanden ist.
Kurz nach Erlöschen des Fusionsfeuers ist er noch ziemlich heiß und die umgebenden Sternenreste befinden sich noch in seiner Nähe. Durch die harte ultraviolette Strahlung kann der Sternenrest das umgebende Gas zum Leuchten in charakteristischen Farben der erbrüteten Elemente anregen: Ein Planetarischer Nebel ist entstanden und in seiner Mitte der heiße Weiße Zwerg.

Amateurastronomen kennen viele solcher planetarischen Nebel. Doch der umgebende Nebel ist nur eine zeitlich begrenzte Erscheinung; nach wenigen Zehntausenden von Jahren hat sich die Nebelstruktur aufgelöst. Auch der innere Weiße Zwerg erkaltet unweigerlich und wird irgendwann zu einem roten und dann ‚toten‘ Weißen Zwerg.

Schwere Sterne können aufgrund ihres immensen gravitativen Drucks unfassbar hohe Kerntemperaturen erzeugen, bei der weit schwerere Elemente durch Fusionsprozesse entstehen als Kohlenstoff. Bis hin zum Eisen ist alles vorhanden, doch bei diesem Element bricht die Fusionsreihe abrupt ab, da die Fusion von Eisen Energie erfordert als dass sie Energie freigibt. Der Stern beendet dabei seine Existenz mit einer gigantischen Supernova-Explosion der Typen II, Ib oder Ic, ja nachdem wieviel Wasserstoff und Helium an seinem Ende noch zur Verfügung standen. Er leuchtet einige Tage so hell wie 100 Milliarden Sonnen.

Zurück bleibt in vielen Fällen ein sehr seltsames Objekt – ein Neutronenstern. Dieser weist nur einen Durchmesser von nur noch 10-20 km auf und besteht aus extrem dicht gepackter Kernmaterie, vorzugsweise Neutronen, die beim Zusammenquetschen von Protonen und Neutronen entstanden sind (inverser Beta-Zerfall). Ein einziger Kubikzentimeter dieser Substanz umfasst dabei eine Masse von ca. 100 Millionen Tonnen. Auch seine Eigenrotation weist unvorstellbar hohe Werte auf; denn durch die Drehimpulserhaltung hat sich eine Eigendrehung extrem beschleunigt; Rotationsperioden im Millisekundenbereich sind bei dieser Art von Objekten keine Seltenheit.
Die extrem schnelle Eigenrotation und die mitgeführten Ladungsträger verursachen elektromagnetische Felder mit unvorstellbar hohen Feldstärken; milliardenfach stärker als die unserer Erde. An den Polen dieser Felder können Strahlungsbündel entstehen, die aus Teilchenströmen mit relativistischen Geschwindigkeiten und energiereicher Strahlung bestehen. Die Pole dieser Feldstrukturen brauchen jedoch nicht mit den Rotationspolen des Neutronensterns übereinstimmen. Sie erinnern mit ihren rotierenden Strahlungsbündeln an galaktische Leuchttürme. Überstreicht dieser Strahl zufällig die Sichtachse zur Erde, so scheint dieser Stern mit hoher Frequenz und Konstanz zu blinken – ein Pulsar ist geboren. Die umgebenden, leuchtenden Gaswolken dieser Supernovaexplosion sind sehr weit ausgedehnt, ebenfalls bunt und filigran strukturiert. Man nennt sie Supernova Remnants (SNRs). Auch sie können von Amateurastronomen beobachtet werden.

Es geht aber noch eine Stufe extremer. Ist genügend Masse vorhanden, werden die gravitativen Drücke zu groß – selbst für Neutronensterne. Dann ist das Endergebnis einer Supernova ein sog. stellares Schwarzes Loch. Es ist wohl das mit Abstand seltsamste Gebilde im gesamten Kosmos. Die Gravitation ist so stark, dass selbst Licht nicht von seiner Oberfläche entweichen kann. Alles, was ihm zu nahe kommt, wird auf Nimmerwiedersehen dort hineingezogen. Keine Information kann aus dem Inneren eines Schwarzen Lochs gewonnen werden – hier hört gewissermaßen die uns bekannte Physik auf. Ein Loch im Weltraum sozusagen.
Häufig sind rotierende Schwarze Löcher von grell leuchtenden Akkretionsscheiben umgeben, wenn sie z.B. als Teil eines Doppelsternsystems Materie von ihrem Begleitstern aufsaugen. Berühmtes Beispiel ist hier die Röntgenquelle Cygnus X1 im Sternbild Schwan zu nennen. Die direkte Beobachtung stellarer Schwarzer Löcher ist mit amateurastronomischem Equipment leider nicht möglich, aber ihre Schock- und Stoßwellenstrukturen mit dem interstellaren Medium können mit einigem Aufwand bei extremen Langzeitbelichtungen abgebildet werden.