Die Ordnung der Sterne
Wenn wir in einer klaren Nacht zum Himmel blicken, sehen wir dort, je nach Grad der Lichtverschmutzung, mehr oder weniger viele leuchtende Punkte. Die meisten davon sind Sterne oder Sternhaufen in unserer eigenen Galaxie, einige widerrum andere Galaxien und wieder andere sind die Planeten unseres Sonnensystems. Galaxien, also riesige Sternansammlungen, bezeichnen wir häufig als Sternenstädte.
Ein Stern wäre dann also ein Bürger dieser Stadt?
Diese Betrachtungsweise hilft zumindest bei der Vorstellung, dass es unterschiedliche Sternenpopulationen im Universum gibt. In der Astronomie unterteilen wir Sterne allgemein nach den Kriterien des Hertzsprung - Russell - Diagramms, also nach Spektralfarbe, Oberflächentemperatur, Sonnenleuchtkräften etc.
Das klappt ganz gut, wozu brauchen wir also zusätzlich Sternpopulationen? Betrachten wir einmal, was uns das HRD nicht verrät?
Da fällt zunächst das Alter der Sterne auf. Das ist in jedem Fall eine sehr interessante Kenngröße, denn vom Alter eines Sterns hängt für eventuelle und bestimmte (also wir) Bewohner einen Planetensystems ihr Überleben ab. Es gibt uns, weil die Bedingungen für Leben im Sonnensystem, aufgrund der Größe der Sonne, unseres Abstandes und der Position unserer Erde in der habitablen Zone, gerade besonders günstig sind.
Damit hätten wir schon einmal eine, für uns fundamentale Kenngröße, über die im HRD nichts zu finden ist.
Eine weitere Erkenntnis ist, dass Sterne unterschiedlichen Alters, vollkommen unterschiedliche Eigenschaften haben. Schauen wir uns beispielsweise die allerersten Sterne an. Unmittelbar nach den Urknall, in der Rekombinationsphase, gab es im Universum die ersten stabilen Atome. Das Universum ist zu diesem Zeitpunkt ca. 380.000 Jahre alt. Es gibt überwiegend Wasserstoff und ca. ein Viertel der Atome sind Helium. Es gibt ein paar Spuren Lithium, aber keine schweren Elemente. Unter diesen Bedingungen mussten sich die ersten Wasserstoff Sterne zu extrem großen Kugeln heranbilden, um eine Fusion zünden zu können. Die Riesen der sogenannten Population 3 verbrauchten ihren Brennstoff extrem schnell und wurden nur wenige Millionen Jahre alt. In kosmischen Maßstäben explodierten sie noch im Babyalter.
Sie änderten aber den Zustand des Universum vollkommen, denn plötzlich gab es schwerere Elemente, wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Magnesium, Schwefel und noch ein paar mehr da. Die Augangsbedingungen für die nächste Generation von Sternen waren auf einmal völlig andere. Die schweren Elemente sorgten für eine schnellere Abkühlung von Gaswolken. Damit konnten sich kleinere, dichtere Sterne bilden, deren Zusammensetzung zur Bildung von mehr schweren Elementen führte.
Die Sterne der zweiten Population waren geboren.
Mit dem Erscheinen der Population II veränderte sich das Gesicht der kosmischen Städte dauerhaft. Diese Sterne waren kleiner, brannten wesentlich sparsamer und erbrüteten in ihren Kernen über Jahrmilliarden hinweg eine stetig wachsende Vielfalt an chemischen Elementen. Wenn die massereichsten unter ihnen am Ende ihres Lebens in gewaltigen Supernovae vergingen, gaben sie diese reichhaltige Ernte wieder an das interstellare Medium ab.
Aus diesem hochentwickelten, extrem angereicherten Gas entstand schließlich die jüngste Generation von Sternen: die Population I. Zu ihr gehört auch unsere Sonne. Erst diese moderne Generation von Sternen brachte die chemische Vielfalt mit, die notwendig war, um feste Gesteinsplaneten wie die Erde zu formen und die komplexen organischen Verbindungen des Lebens zu ermöglichen.
Das HRD zeigt das Wie, die Populationen zeigen das Wann und Wo.
Wenn wir einen Stern im HRD betrachten – sagen wir einen gelben Zwergstern der Klasse G2V genau wie unsere Sonne –, dann verrät uns seine Position dort nur seinen aktuellen physikalischen Zustand: Er fusioniert stabil Wasserstoff zu Helium.
Was uns das HRD nicht verrät:
Das Alter: Ein G2V-Stern kann ein junger Hüpfer von wenigen hundert Millionen Jahren sein oder ein 10 Milliarden Jahre alter Greis, der kurz vor dem Übergang zum Roten Riesen steht. Im HRD sitzen beide fast am exakt selben Fleck.
Die Herkunft: Er verrät uns nicht, in welchem Teil der Galaxie er geboren wurde und wie die kosmische Umgebung beschaffen war, als seine Geburtswolke kollabierte.
Hier schlagen die Sternpopulationen die Brücke. Sie sortieren die „Bürger“ nicht nach ihrem aktuellen Zustand, sondern nach ihrer Generation und ihrer chemischen Evolution (der Metallizität).
Wenn wir bei derm Bild vom Anfang bleiben und uns die Sterne als Bürger unserer Galaxien-Stadt vorstellen, könnte das etwa so aussehen:
Population III: Die Gründerväter (Die Ur-Siedler)
Sie bauten die ersten "Häuser" der Stadt. Da sie kein Baumaterial außer Wasserstoff und Helium hatten, mussten sie gigantische, kurzlebige Festungen errichten. Sie hinterließen der Stadt das erste echte Erbe: die ersten schweren Elemente (die "Metalle").
Population II: Die Altbürger (Die Traditionsbewussten)
Sie siedelten sich in der jungen Stadt an, als es schon ein wenig Infrastruktur (erste schwere Elemente) gab. Weil sie kleiner bauen konnten, leben viele von ihnen noch heute. In unserer Milchstraße haben sie sich in die ruhigen "Vororte" zurückgezogen – in den galaktischen Halo und die Kugelsternhaufen weit außerhalb des trubeligem Zentrums.
Population I: Die moderne Generation (Die High-Tech-Bürger)
Zu ihnen gehört unsere Sonne. Sie leben im dynamischen Stadtzentrum – den Spiralarmen der galaktischen Scheibe. Sie wurden in Gaswolken geboren, die im Laufe von Jahrmilliarden extrem reich an schweren Elementen wurden.
Die kosmische Währung: Was bedeutet „Metallizität“?
Um zu verstehen, wie Astronomen diese drei Generationen voneinander unterscheiden, muss man einen Blick auf ein sprachliches Kuriosum der Astrophysik werfen: den Begriff der Metallizität.In der Chemie ist ein Metall ein Element mit ganz bestimmten physikalischen Eigenschaften (wie Leitfähigkeit oder Glanz). In der Astronomie hingegen gilt eine viel einfachere, fast radikale Regel: Alles, was kein Wasserstoff und kein Helium ist, wird als „Metall“ bezeichnet. Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Silizium oder Eisen – für Astronomen sind das alles Metalle.Die Metallizität gibt den Massenanteil dieser schweren Elemente an der Gesammasse eines Sterns an. Während unsere Sonne (Population I) eine vergleichsweise hohe Metallizität von etwa 1,4 % aufweist, besitzen uralte Sterne der Population II oft weniger als ein Tausendstel dieses Wertes. Sie stammen aus einer Epoche, als die kosmische Suppe noch kaum mit schweren Elementen „gewürzt“ war.
Der chemische Fingerabdruck: Wer erbrütete was?
Jede Generation hinterließ dem Kosmos ein ganz spezifisches chemisches Erbe. Wenn wir das Licht der Sterne analysieren, verraten uns die Spektrallinien genau, welche Elemente in ihnen stecken und woher sie stammen:
Elemente der Population III: Da diese Ur-Siedler im reinen Urgas zündeten, bestanden sie selbst ausschließlich aus Wasserstoff (H), Helium (He) und winzigsten Spuren von Lithium (Li). In ihren Kernen erbrüteten sie jedoch die allerersten schweren Elemente wie Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O), Magnesium (Mg) und Silizium (Si), die sie bei ihrem explosiven Tod im Universum verteilten.
Elemente der Population II: Diese Sterne bauten auf dem Erbe der Population III auf. Sie weisen in ihren Spektren erste Spuren von sogenannten Alpha-Elementen auf (insbesondere Sauerstoff, Neon, Magnesium und Calcium). Der Anteil an noch schwereren Elementen wie Eisen (Fe) oder Nickel (Ni) ist bei ihnen jedoch extrem gering, da die kosmische Fabrikation dieser Stoffe gerade erst anlief.
Elemente der Population I: Sie verfügen über das volle Sortiment des Periodensystems. Neben Wasserstoff und Helium enthalten sie signifikante Mengen an Eisen (Fe), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Sauerstoff (O) sowie schwere Elemente, die durch komplexen Neutroneneinfang entstehen, wie Barium (Ba), Gold (Au) oder Uran (U).
Erst dieser reiche chemische Schatz der Population I machte den Kosmos zu einem Ort, an dem aus Sternenstaub nicht nur neue Sonnen, sondern letztlich auch Astronomen entstehen konnten, die den Himmel erforschen.
Hier sind noch ein paar Bilder zur Entstehung der Elemente. Es sind meine ersten Versuche, mich dem Thema unter Zuhilfenahme der Gemini KI von Google zu nähern.