Frag, und es wird Tag – Wieso diese Vielfalt?

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Meine lieben, heute ist mal wieder eine sehr spannende Frage von euch dran.

Die Frage

Wieso sind nicht alle Sterne gleich?
Müssten doch, weil…
Wenn sich ein Stern aus einer Gaswolke bildet, dann zündet doch die Kernfusion ab einem bestimmten Druck in seinem Inneren. Der Druck und dadurch auch die Zünd-Temperatur für die Kernfusion wird doch durch die Masse des werdenden Sterns erzeugt, oder nicht?
Dann sollten doch alle Sterne gleich sein. Wie kommt es aber, dass es so viele Sterne unterschiedlicher Masse gibt?

Wer darf sich Stern nennen

Dass Druck und Temperatur zur Zündung des Wasserstoff-Brennens immer gleich sind, stimmt schon mal, aber es kommt noch was dazu, wie wir sehen werden.
Stern nennen darf sich nur, wer in seinem Bauch Wasserstoff zu Helium verdauen kann. Und das passiert tatsächlich erst ab einer gewissen Temperatur und Druck im Innern eines werdenden Sternes.

Die Kernfusion legt nicht fest, wie schwer ein Stern wird, sondern nur, ab wann ein Gasball überhaupt ein Stern ist.

Haushaltsbeispiel

Eine solche Druckgrenze, ab wann etwas passiert, kennen wir aus unserer Küche. Das Sicherheitsventil eines Schnellkochtopfes öffnet sich stets ab einem gewissen Druck in seinem inneren. Und das passiert unabhängig davon, wie voll der Topf ist, oder wie viel Feuer man darunter hat. Der Der Öffnungsdruck für das Ventil bleibt immer derselbe. Steigt der Druck danach noch im Topf, weil man die Herdplatte noch an hat, dann zischt es halt später heftiger.
Und wenn der Druck dann noch steigt, geht das Ventil eventuell kaputt, oder der Topf könnte explodieren.
Ist mir zwar nicht bekannt, dass das mit einem normalen Schnellkochtopf schon passiert wäre, aber in der Chemischen Industrie, wo man derlei in groß benutzt, schon.

Das heißt:

Und hier schließt sich der Kreis zu unseren werdenden Sternen. Sterne, die mehr als 150 Sonnenmassen in sich vereinen, kann es nicht geben. Sie werden instabil.
Bei ihnen bläst der Strahlungsdruck und Sternwind alles weitere Material in seiner Umgebung weg, oder die Natur zieht es vor, mehrere kleinere Sterne, als ein großes Sternenmonster, entstehen zu lassen.
„Zünden“ heißt also nur: Jetzt bin ich ein Stern und bin erstmal mindestens so schwer, dass es für die Kernfusion reicht.

Genauer gesagt:

• Ein Stern entsteht aus einer Gas- und Staubwolke.
• Die Wolke zieht sich zusammen, wird dabei immer heißer und dichter.
• Ab einem bestimmten Kerndruck und ~10 Millionen Kelvin kann Wasserstoff zu Helium fusionieren

Sternstatus erreicht.

• Was knapp darunter liegt, reicht zwar nicht zum normalen Stern, aber eventuell zu einem braunen Zwerg.
  Das ist so ein Mittelding zwischen Planet und Stern. So ein brauner Zwerg hat ungefähr zwischen 13 und 80 Jupitermassen. Er kann kurzfristig Deuterium, schweren Wasserstoff, zu Helium3 fusionieren, aber zur richtigen Fusion mit normalem Wasserstoff zu Helium4, reicht der Druck in ihrem Inneren nicht aus. Sie sind aber sehr spannend, weil sie recht häufig vorkommen, und quasi eine Brücke zwischen Planeten und Sternen schlagen. Ja, braune Zwerge können sogar Planeten besitzen. Die frage ist dann nur, wie man solch ein System mit einem Fast-Stern in der Mitte dann nennt. Ich kenne keinen beschreibenden Begriff, und habe für derlei bisher nur immer Umschreibungen gesehen. Es wäre aber wirklich Zeit, dafür ein Wort zu finden, schon alleine deshalb, weil solche Systeme gar nicht selten sind.

  Und noch ein Funfact: Braune Zwerge sind überhaupt nicht braun. Sie leuchten meist im infraroten Bereich, aber die Entdecker fanden Braun irgendwie passend, weil so dazwischen.

• Was leichter als ein brauner Zwerg ist, kann höchstens noch ein Gasplanet werden. Der legt sich dann, wie Jupiter noch einige Monde und Trojaner zu, oder schmückt sich eitel, wie Saturn mit Ringen.
  Viele Gasplaneten machen einfach auch beides…

Jetzt die Frage

Wieso gibt es aber dennoch so eine große Vielfalt unter den Sternen?

Der entscheidende Punkt ist:
Die Fusion stoppt das weitere Zusammenziehen des werdenden Sterns, aber nicht zwingend das Massensammeln.
Während der Stern „zündet“, passiert Folgendes gleichzeitig:

• Materie fällt weiter aus der Umgebung auf den Stern
• Der Stern bläst Materie durch Strahlung und Sternwind wieder weg

Wie schwer er dann am Ende wird, ist ein Wettlauf zwischen:

• Nachschub von außen
• Gegenwehr des Sterns

Ist also der Strom von Gas, das auf den Stern prasselt größer, als der Sternwind selbst, dann kann er wachsen, so lange es noch Material um ihn herum gibt, das er sich einverleiben kann. Was dann noch übrig bleibt, kann eventuell noch für Planeten reichen.

Was werden kann

Je nach dem, wie groß und schwer die Gaswolke ist, passiert verschiedenes.

Kleine Sterne: sparsame Minimalisten

Bei massearmen Sternen (z. B. rote Zwerge) befindet sich zum Zeitpunkt seiner Entstehung Wenig Gas in der Umgebung. Es reicht ihm gerade so, dass er Stern sein kann. Somit hat er einen vergleichsweise schwachen Sternwind, und von außen gibt es nichts, woran er wachsen könnte…

Sobald die Fusion einsetzt, ist praktisch Schluss mit weiterem Zuwachs, weil das, was da noch auf ihn prasseln könnte, sehr wenig ist, bzw. von seinem Sternwind verblasen wird.

Aber solch einem „gerade-noch-Stern“ ist ein langes Leben beschieden, weil kleine Sterne sehr gut mit dem wenigen, was sie haben, haushalten können. Die Lebensdauer zwischen Riesensternen und so kleinen roten Zwergsternen, unterscheidet sich um viele Zehnerpotenzen.

Große Sterne: kosmische Vielfraße

Dort, wo sich massereiche Sterne bilden, gibt es reichlich Material um ihn herum.
Er kann viel Material zu sich ziehen (akkregieren).
Dass die Kernfusion bereits eingesetzt hat, hindert ihn nicht daran, weiter zu fressen und zu wachsen.
Er wird immer heißer, immer heller, immer schwerer,
bis seine eigene Strahlung und sein Sternwind das restliche Gas wegblasen.
Das Ergebnis ist dann ein riesiger Stern mit kurzer Lebensdauer, der sehr wahrscheinlich als fulminante Supernova endet.

Solche Riesensterne sind recht selten. Als das Universum vor vielen Milliarden Jahren noch kleiner war, dürften sich zwar viele solche Riesensterne gebildet haben, aber die sind ob ihrer kurzen Lebensdauer schon längst in Supernovae-Explosionen verpufft. Zum anderen kommen Bedingungen, die kleinere Sterne gebären, deutlich häufiger vor.

In aller Kürze

Hier nochmal kurz zusammen gefasst:
Die Intuition ist oft:
Gleicher Fusionsdruck → gleicher Stern
Aber korrekt ist:
Gleicher Fusionsdruck → gleiche Untergrenze für Sterne

Die Masse bestimmt dann:
wie stark die Gravitation ist
wie viel Druck und Temperatur im Kern herrschen
wie schnell die Fusion abläuft
Mehr Masse → mehr Druck → schnellere Fusion → hellerer, kürzer lebender Stern

So, nun hofft der Sternenonkel, dass diese Frage hinreichend beantwortet werden konnte. Bitte fragt weiter. Das freut den Sternenonkel sehr. Es macht es mir auch einfacher, weil ich mir dann keine Themen aus den Fingern saugen muss. Und für euch ist es dann so, dass ihr das erfahrt, was ihr auch wissen möchtet, und nicht das, was z. B. ich als wissenswert erachte…