Hauptreihensterne: Definition & Lebenszyklus

Hauptreihensterne fusionieren in ihren Kernen Wasserstoffatome zu Heliumatomen. Etwa 90 Prozent der Sterne im Universum, einschließlich der Sonne, sind Hauptreihensterne. Diese Sterne können von etwa einem Zehntel der Sonnenmasse bis zu 200-mal so massiv sein.

Sterne beginnen ihr Leben als Wolken aus Staub und Gas. Die Schwerkraft zieht diese Wolken zusammen. Es bildet sich ein kleiner Protostern, angetrieben durch das kollabierende Material. Protosterne bilden sich oft in dicht gepackten Gaswolken und können schwer zu entdecken sein.

„Die Natur bildet Sterne nicht isoliert“, sagte Mark Morris von der University of California in Los Angeles (UCLS) in einem Statement. „Sie bildet sie in Clustern, aus Geburtswolken, die unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren.“

Kleine Körper – mit weniger als 0,08 der Sonnenmasse – können das Stadium der Kernfusion in ihrem Kern nicht erreichen. Stattdessen werden sie zu braunen Zwergen, Sternen, die nie zünden. Aber wenn der Körper genügend Masse hat, brennt das kollabierende Gas und der Staub heißer und erreicht schließlich Temperaturen, die ausreichen, um Wasserstoff zu Helium zu fusionieren. Der Stern zündet und wird zu einem Hauptreihenstern, angetrieben durch Wasserstofffusion. Die Fusion erzeugt einen Druck nach außen, der sich mit dem durch die Schwerkraft verursachten Druck nach innen ausgleicht und den Stern stabilisiert.

Wie lange ein Hauptreihenstern lebt, hängt davon ab, wie massiv er ist. Ein massereicherer Stern hat zwar mehr Material, aber er verbrennt es aufgrund der höheren Kerntemperaturen, die durch die größeren Gravitationskräfte verursacht werden, schneller. Während die Sonne etwa 10 Milliarden Jahre auf der Hauptreihe verbringt, hält sich ein zehnmal so massereicher Stern nur 20 Millionen Jahre. Ein Roter Zwerg, der halb so massereich ist wie die Sonne, kann 80 bis 100 Milliarden Jahre überdauern, also weit mehr als das Alter des Universums von 13,8 Milliarden Jahren. (Diese lange Lebensdauer ist ein Grund dafür, dass Rote Zwerge als gute Quellen für Planeten gelten, die Leben beherbergen, weil sie so lange stabil sind.)

Hell leuchtender Stern

Vor mehr als 2.000 Jahren, war der griechische Astronom Hipparchus der erste, der einen Katalog der Sterne nach ihrer Helligkeit erstellte, so Dave Rothstein, der im Jahr 2003 an der Website „Ask An Astronomer“ der Cornell University teilnahm.

„Im Grunde betrachtete er die Sterne am Himmel und klassifizierte sie danach, wie hell sie erscheinen – die hellsten Sterne waren ‚Magnitude 1‘, die nächsthelleren waren ‚Magnitude 2‘, etc, bis hin zu ‚Magnitude 6‘, die die schwächsten Sterne waren, die er sehen konnte“, schrieb Rothstein.

Moderne Instrumente haben die Messungen der Helligkeit verbessert und präziser gemacht.

Im frühen 20. Jahrhundert erkannten Astronomen, dass die Masse eines Sterns mit seiner Leuchtkraft zusammenhängt, oder wie viel Licht er produziert. Beide hängen mit der Temperatur des Sterns zusammen. Sterne, die zehnmal so massereich sind wie die Sonne, leuchten mehr als tausendmal so stark.

Die Masse und Leuchtkraft eines Sterns stehen auch in Beziehung zu seiner Farbe. Massereichere Sterne sind heißer und blauer, während weniger massereiche Sterne kühler sind und rötlich erscheinen. Die Sonne fällt in die Mitte des Spektrums, was ihr ein eher gelbliches Aussehen verleiht.

„Die Oberflächentemperatur eines Sterns bestimmt die Farbe des Lichts, das er aussendet“, so das weltweite Las Cumbres Observatorium. „Blaue Sterne sind heißer als gelbe Sterne, die wiederum heißer sind als rote Sterne.“

Dieses Verständnis führte zur Erstellung eines Diagramms, das als Hertzsprung-Russell (H-R) Diagramm bekannt ist, ein Diagramm von Sternen basierend auf ihrer Helligkeit und Farbe (was wiederum ihre Temperatur zeigt). Die meisten Sterne liegen auf einer Linie, die als „Hauptreihe“ bekannt ist, die von links oben (wo heiße Sterne heller sind) nach rechts unten (wo kühle Sterne tendenziell dunkler sind) verläuft.

Wenn die Sterne erlöschen

Endlich brennt ein Hauptreihenstern den Wasserstoff in seinem Kern aus und erreicht das Ende seines Lebenszyklus. An diesem Punkt verlässt er die Hauptreihe.

Sterne, die kleiner als ein Viertel der Masse der Sonne sind, kollabieren direkt zu Weißen Zwergen. Weiße Zwerge brennen in ihrem Zentrum keine Kernfusion mehr, strahlen aber weiterhin Wärme ab. Irgendwann sollten Weiße Zwerge zu Schwarzen Zwergen abkühlen, aber Schwarze Zwerge sind nur theoretisch möglich; das Universum ist nicht alt genug, dass die ersten Weißen Zwerge ausreichend abkühlen und den Übergang schaffen könnten.

Bei größeren Sternen kollabieren die äußeren Schichten nach innen, bis die Temperaturen heiß genug sind, um Helium zu Kohlenstoff zu fusionieren. Dann sorgt der Druck der Fusion für einen Schub nach außen, der den Stern um ein Vielfaches seiner ursprünglichen Größe ausdehnt und einen Roten Riesen entstehen lässt. Der neue Stern ist viel schwächer als er es als Hauptreihenstern war. Irgendwann wird sich die Sonne zu einem roten Riesen entwickeln, aber keine Sorge – das wird noch eine Weile dauern.

„In etwa fünf Milliarden Jahren, nachdem die Sonne zu einem roten Riesen geworden ist und die Erde zu Asche verbrannt hat, wird sie ihren eigenen schönen Nebel ausstoßen und dann als weißer Zwergstern verblassen“, sagte Howard Bond vom Space Telescope Science Institute in Maryland in einer Erklärung.

Wenn der ursprüngliche Stern bis zu 10-mal die Masse der Sonne hatte, verbrennt er sein Material innerhalb von 100 Millionen Jahren und kollabiert zu einem superdichten Weißen Zwerg. Massereichere Sterne explodieren in einem heftigen Supernova-Tod und schleudern die in ihrem Kern gebildeten schwereren Elemente über die Galaxie. Der verbleibende Kern kann einen Neutronenstern bilden, ein kompaktes Objekt, das in einer Vielzahl von Formen auftreten kann.

Die lange Lebensdauer von Roten Zwergen bedeutet, dass selbst solche, die kurz nach dem Urknall entstanden sind, heute noch existieren. Irgendwann aber verbrauchen diese massearmen Körper ihren Wasserstoff. Sie werden schwächer und kühler, und schließlich gehen die Lichter aus.

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