Aleks Scholz ist Autor und Astronom. In seiner Kolumne „Lichtjahre später“ erklärt er uns regelmäßig alles, was wir wissen müssen: über Zeit und Raum, Sterne und Planeten, enorme Entfernungen, riesige Größen – und all die anderen rätselhaften Dinge, die es bei der Beschäftigung mit dem Weltraum zu entdecken gibt. Heute:
Aleks Scholz. Foto: Ira Struebel
Vier Gleichungen
Als Erstes sorgen wir dafür, dass der Stern nicht zusammenfällt.
Ein Ding wie die Sonne steht mehrere Milliarden Jahre lang im Universum, ohne sich groß zu verändern. Um das zu erreichen, muss der Stern den immensen Druck von 10 hoch 30 Kilogramm Gas standhalten, zum Beispiel, indem er im Inneren Hitze erzeugt. Hitze drückt nach außen, Schwerkraft nach innen, sind beide im Gleichgewicht, darf der Stern weiterleben – die erste, wichtigste Gleichung der Sternenphysik.
Als Nächstes benötigt man Energie, um den Stern von innen aufzuheizen. In der zweiten Gleichung steckt das eherne Prinzip der Energieerhaltung, auf der einen Seite strömt die Hitze aus einem mysteriösen Epsilon und wird auf der anderen Seite ins All verstrahlt. In einer dritten Gleichung muss weiterhin festgelegt werden, dass im Inneren des Sterns nicht nur die Energie, sondern auch die Masse erhalten bleibt – wenn man alle Einzelteile des Sterns zusammenzählt, muss sich seine Gesamtmasse ergeben. Natürlich.
Damit ist der Stern immer noch nicht ganz fertig, denn irgendwie muss die Energie aus dem Inneren von Sternen an die Oberfläche gelangen – wir brauchen eine sehr lange Eimerkette. Für den Energietransport stehen drei verschiedene Mechanismen zur Verfügung: Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung. Alle drei Prinzipien finden sich in jeder zivilisierten Wohnung: Heizkörper strahlen ihre Energie in die Umgebung ab. Im Wasserkessel steigt warmes Wasser konvektiv nach oben. Und eine Herdplatte heizt den darauf stehenden Topf, weil beides aus Metall besteht, was Wärme extrem gut leitet. Die vierte Gleichung spaltet sich daher auf in drei Subroutinen; welche zum Einsatz kommt, hängt von den Bedingungen im Inneren des Sterns ab, die sich wiederum aus den anderen Gleichungen ergeben.
Zusammen mit ein paar Fußnoten über die Eigenschaften des verwendeten Gases und ein paar nützlichen Randbedingungen, die festlegen, dass der Stern irgendwo zu Ende ist, beschreiben diese vier Gleichungen alles, was den Stern ausmacht. Man nehme die Gleichungen, gieße oben ein paar Quintillionen Tonnen Gas hinein, drehe an der Kurbel – und schon fällt unten ein richtiger Stern raus, mit Masse, Volumen, Temperatur, Druck und allem.
So einfach das alles klingt, es dauerte mehrere Tausend Jahre, es herauszufinden, wobei man die meiste Zeit damit zubrachte, über völlig andere Dinge nachzudenken. Das Problem der Funktionsweise von Sternen existierte bis zum 19. Jahrhundert einfach überhaupt nicht. Sterne sind perfekte, ewige Lichter. Sie sind irgendwie heiß, und weil sie heiß sind, leuchten sie eben. Ein Stück Metall leuchtet schließlich auch, wenn man es lange genug ins Feuer hält. Von Energie- und Massenerhaltung ahnte man nichts. Ewige Lichter, hurra. Um über diese zweifellos schöne Idee hinauszukommen, mussten die Vorstellungen über das Universum zunächst in eine völlig neue Form geknetet werden: Die Himmelskörper gehorchen denselben Regeln wie die Vorgänge auf der Erde. Von nichts kommt nichts. Alles hat eine Ursache. Hat man sich darauf geeinigt, fällt die Frage wie ein Stein vom Himmel: Verdammt – warum leuchten Sterne eigentlich? Langes Rätselraten ist die Folge.
Prä-Eddington-Sterne: Hell, grünlich, unantastbar. (Bild: Aleks Scholz, Cerro Tololo International Observatory, SMARTS-Projekt)
Heiße Dinge leuchten, weil sich die Atome und Moleküle, aus denen sie bestehen, hin- und herbewegen, und dabei elektrische Ladungen verschoben werden, wobei Strahlung entsteht. Die Grundbausteine dieser Erklärung – Atomhypothese, Elektromagnetismus, Thermodynamik – stammen alle aus dem 19. Jahrhundert; das Resultat kann man an jeder Glühbirne betrachten. Sterne, so hört man, sind jedoch im Unterschied zur Glühbirne nicht ans Stromnetz angeschlossen. Woher kommt sie also, die Strahlung? Woraus bestehen Sterne? Was treibt sie an? Im Jahr 1910 gab der Brite Arthur Eddington freimütig zu, dass Sterne fest, flüssig oder vielleicht auch gasförmig sein könnten – nicht irgendwo hinter vorgehaltener Hand, sondern im Eintrag „Stern“ in der Encyclopedia Britannica. Eddington wiederum war nicht irgendwer, sondern der Astrophysiker seiner Zeit. Man wusste so wenig.
Eddington und sein Kontrahent James Jeans, ebenfalls ein Brite, verbrachten viele Jahre damit, diese Fragen ausgiebig zu diskutieren, und erfanden auf dem Weg die Methoden der theoretischen Astrophysik. Wie geht man damit um, dass einen das Universum vor Probleme stellt, die mit den bekannten physikalischen Theorien unlösbar sind? Anders gefragt: Wie funktioniert Astrophysik in Abgrenzung zur Physik und zur Mathematik? In der blauen Ecke Jeans, der auf exakten Theorien bestand, die deduktiv und mathematisch sauber aus festen Axiomen abgeleitet werden sollten, platonisch perfekte Astronomie, die Mathematik als Sprache der Schöpfung. Das Idealbild für Jeans ist die Himmelsmechanik, bis dahin die Königsdisziplin der Astronomie. Wenn man Probleme nicht mit sauberen Theorien lösen kann, dann soll man es lassen. In der roten Ecke Eddington, dem es nicht um saubere Beweise ging, sondern um Verstehen und Einsicht, Wissenschaft nicht als Ergebnis, sondern als Prozess, Mathematik nur als Werkzeug. Eine Theorie sei nur etwas wert, wenn sie auf irgendeine Art weiterführt, wobei jedes Mittel legitim ist – empirische Kalibrationen, wilde Spekulationen, abenteuerliche Näherungen, informiertes Raten.
Für Jeans war Eddingtons Vorgehen eine unverzeihliche Schlamperei. Unbegründete Annahmen und krude Mathematik führen zu irgendwelchen Schlüssen, die wiederum nur die Annahmen bestätigen, ein tautologischer Irrweg. Eddington gab freimütig zu, dass er nicht an Exaktheit und Wahrheit interessiert war, sondern an der rücksichtslosen Eroberung von neuem Terrain. Im Jahr 1924 zum Beispiel veröffentlichte er eine mit schmutziger Theorie abgeleitete Korrelation zwischen Masse und Leuchtkraft von Sternen, die zu aller Überraschung die gemessenen Werte genau wiedergab. „Das Erstaunliche an Eddingtons Arbeit war, dass er so viele Ergebnisse produzieren konnte mit solch einfachen und eigentlich unberechtigten Annahmen“, so der amerikanische Historiker Matthey Stanley.
Der Dreh- und Angelpunkt der Debatte war das Problem der Energie. Wie schaffen es Sterne, mehrere Milliarden Jahre zu leuchten? Wie zwei hungrige Wölfe kreisen Eddington und Jeans 30 Jahre lang um das Problem. Weil die bekannten Energiequellen (chemische Reaktionen, Radioaktivität, Schwerkraft) nicht ausreichen, muss es sich um eine völlig neuartige Form von Energie handeln, die, so die plausibelste Vermutung, aus dem Inneren von Atomen stammt. Die Vernichtung von Elektronen vielleicht? Oder, so Eddington im Jahr 1919 fröhlich mutmaßend, vielleicht die Vernichtung von ganzen Wasserstoffatomen? Das Innere von Sternen, die ultimative Black Box. Es fehlten die entscheidenden Zusammenhänge, die Atomphysik noch in der Phase der Selbstfindung, die Quantenmechanik gerade erst auf die Welt gekommen. Erst zwanzig Jahre später löste Hans Bethe das Problem: Wasserstoffatomkerne werden nicht zerstört, sondern zu Helium zusammengebaut. Da ein Atom Helium leichter ist als zwei Atome Wasserstoff, werden via E=mc2große Mengen Energie frei. Dass man mit derselben Idee auch Wasserstoffbomben bauen kann, darauf kam Bethe später selbst.
Jeans, der mathematische Platonist, gegen Eddington, den visionären Wahrheitssucher. Die gesamte Astrophysik des 20. Jahrhundert leitet sich aus dem philosophischen Disput zwischen diesen beiden Figuren ab. Immer wieder wählten Forscher schmutzige Tricks über saubere Herleitungen, um Fortschritte zu erzielen. Manchmal erreichten sie einen Kenntnisstand, der letztlich doch exakte mathematische Ableitungen erlaubte. Häufiger jedoch erwiesen sich die astrophysikalischen Probleme als zu kompliziert. Zu viele Prozesse laufen gleichzeitig ab und beeinflussen sich auf unübersichtliche Art und Weise. Effekte, die auf Größenskalen von einem Daumennagel wirken, bestimmen am Ende die Eigenschaften von sehr großen Dingen wie Nebeln, Planeten und Sternen.
Denn Sterne sind leider doch nicht durch vier Gleichungen zu erklären. Das lange so rätselhafte Epsilon ist keine exakt herleitbare Größe, sondern beruht zum Teil auf Informationen, die aus Experimenten stammen. Für den komplizierten Vorgang der Konvektion gibt es keine exakte Gleichung, sondern nur halbfertige Theorien. Die oben erwähnten „Fußnoten“ über die Eigenschaften des Gases in Sternen enthalten wiederum experimentelle Daten sowie eine Reihe von gut begründeten, aber doch schmutzigen Näherungen. Überhaupt versucht das Standardmodell gar nicht erst, so etwas wie das Gewicht des Sterns aus grundlegenden Prinzipien abzuleiten – es geht einfach davon aus, dass Sterne so und so schwer sind.
Außerdem sieht das Vier-Gleichungen-Konzept großzügig über ein paar Dinge hinweg. Zum Beispiel ignoriert es, dass Sterne ein Magnetfeld besitzen und zudem rotieren. Auch das ist nur die halbe Wahrheit: Während der Kern der Sonne sich einmal alle 25 Tage um die eigene Achse dreht, begnügen sich die äußeren Schichten zum Teil mit 30 Tagen. Gegenden in Äquatornähe rotieren schneller als Gegenden am Pol, der gesamte Stern verdreht sich dadurch in sich selbst. Durch diese seltsame Rotation wiederum verwickelt sich das Magnetfeld, das Äquivalent zum Kabelsalat, nur ohne Kabel. Das Resultat sind Sonnenflecken, magnetische Stürme, Protuberanzen – Phänomene, die man nicht nur auf der Sonne, sondern auf den meisten anderen Sternen beobachten kann. Diese magnetischen Effekte wiederum schwanken mit dem 11-jährigen Sonnenzyklus, der selbst wieder Veränderungen unterliegt, die wir nur rudimentär verstehen. Dies andererseits beeinflusst die Sonneneinstrahlung auf der Erde. Die Sonne ist nicht schuld an der globalen Erwärmung seit 1980, aber sie schraubt im Hintergrund mit unklaren Methoden am Klima herum. Schön ist das alles nicht.
Es ist praktisch ausgeschlossen, dass es je eine elegante Sternentheorie für dieses unordentliche Gebilde geben wird, das jeden Morgen wieder hinter dem Horizont hervorkommt. Stattdessen werden wir für immer auf einer Baustelle wohnen, mit einem hässlichen Gerüst und vielen heraushängenden Kabeln, ein ewiger lichtdurchströmter Albtraum im Kopf von James Jeans. Eddington dagegen wäre sehr zufrieden mit unseren Sternen.
Aleks Scholz
Aleks Scholz, geboren 1975, ist Astronom und Schroedinger Fellow am „Institute for Advanced Studies“ in Dublin, Irland. Er befasst sich vorwiegend mit der Entstehung und der Entwicklung von Gelben, Roten und Braunen Zwergen. Foto: Ira Struebel. Aleks Scholz bei Google+.
