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Von Alpha Centauri zu Eta Carinae: die erstaunlichen Dimensionen der Sterne
„Groß“ ist naturgemäß alles in der Astronomie – wie differenziert sich aber bei ‚näherem
Hinschauen‘ mit modernsten Mitteln der Forschung die Welt der Gestirne erweist, das ist
noch erstaunlicher. Ein langer, dramatischer Erkenntnisprozeß hat die Suche nach den
Dimensionen und der Natur dessen begleitet, was sich uns ‚dort oben‘ am Firmament als
leuchtende Gebilde zeigt. Was die fernen Fixsterne angeht, hat sich die Astronomie lange mit
deren Positionsbestimmung abgegeben, den Ausblick ins All dabei generell aber auf unser
Sonnensystem limitiert, bevor die Spektralanalyse mitsamt multispektraler Forschung aus
dem Erdorbit ein umfassenderes Bild vom (physischen) Himmel liefern konnte. Blicken wir
heute „ad astra“, haben wir erstaunlich genaue Kenntnisse von den Dimensionen, von
Entfernungen, stofflich-stellaren Ursprüngen und Interaktionen, der Dichte interstellaren
Materials und seiner atomar-molekularen Anregungszustände – bis hinaus in die
schwindelnden Abgründe fernster Galaxiengruppierungen. Mit einer Umschau unter den
Sternengeschwistern unserer Sonne will dieser Vortrag die stellare Vielfalt vorstellen, die sich
als typisch erwiesen hat für unser Sternenall insgesamt. Frisch hinzugekommen sind
gediegene Erkenntnisse über „Exoplaneten“; sie verhelfen den Astronomen unserer Tage zu
dicken Schlagzeilen. Aufschlußreich ist dabei jedoch auch die geschichtliche Rückschau zu
den Anfängen des Forschergeist-getriebenen Ausblicks auf unsere kosmische Umgebung.
Der griechische Naturphilosoph Aristarch gelangte etwa 1800 Jahre vor Kopernikus (der sich
auf ihn berief) zu einem heliozentrischen Weltbild: genial leitete er im dritten Jahrhundert vor
Christus aufgrund von selbst vorgenommenen Winkelmessungen bei Sonne und Halbmond
ab, unser Tagesgestirn müsse um die 19mal weiter von uns entfernt sein als der Mond – und
habe wohl mehr als den sechsfachen Durchmesser der Erde. Unerhörte Annahmen waren das
zu seiner Zeit gewesen; sie lassen Aristarch als Vordenker einer ‚versachlichten‘ Schau auf
unser Sonnensystem hervortreten. „Frevelhaft“ war für seine Epoche mithin die Behandlung
von Sonne, Mond und Erde als sphärisch-materielle Himmelskörper, welche im Altertum ja
mythisch verklärt waren. Wer Sonne und „Fixsterne“ dazu noch als unbewegte Körper am
Himmelszelt charakterisierte, wurde damals schon der Gottlosigkeit angeklagt; eine Notiz
Plutarchs 350 Jahre später ließ darauf schließen. – In der antiken Welt allein kosmische Ferne
„zu denken“ weist uns die Größe des Aristarch von Samos (310-230 v.Chr.) nach; die Sterne
sah er als weit entfernte Sonnen an! Nicht zufällig vielleicht ist der hellste Krater auf unserem
Erdtrabanten nach diesem ‚hellen Kopf‘ benannt worden; in unseren Führungen zeigen wir
ihn. (Die Webseite APOD: „Astronomy Picture of the Day“ zeigt ein Raumsonden-Foto von
Aristarchus aus extremer Nähe unter http://apod.nasa.gov/apod/ap120217.html (17.2.2012).
Als ein Ketzer regelrecht verbannt worden (aus seiner Geburtsstadt Athen) war vor Aristarch
der Philosoph Anaxagoras. Ausgehend noch von einer Scheibengestalt der Erde, maß er 434
v. Chr. dem Sonnenball die Größe der Halbinsel Peloponnes zu, um die 55 Kilometer. Diese
Ansicht gewann er anhand der ihm zugetragenen Beobachtung aus Syene am oberen Nil, das
zur Sonnenwende dort im Zenit stehende Tagesgestirn werfe keine Schatten – und rechnete
die am Nildelta gemessene 7°-Schattenwurf-Differenz trigonometrisch auf die „Höhe“ der
Sonne über der Erde um (bekannt war ihm die Basislinie Syene-Alexandria, 800 km): als Feuerball (feuriger ‚Stein‘?) kreiste sie in luftiger Höhe von 6500 km Höhe über der Erdscheibe.
Zwei Jahrhunderte später konnte Eratosthenes ebendiesen Wert erstaunlich genau als Erdradius ermitteln, weil er dieselbe Basislinie auf einer gekrümmten Erde wähnte. – Einen
weiteren Versuch unternahm darauf aufbauend dann im 2. Jahrhundert v.Chr. der Begründer
der Himmelsvermessung: Hipparch. Seine anhand von Mondfinsternissen raffiniert ermittelten Werte blieben 17 Jahrhunderte lang in der Astronomenwelt unangefochten: die Mondentfernung traf er mit 67 Erdradien (richtig: 60,3) ziemlich genau, die der Sonne nicht; 37mal
sollte sie weiter entfernt sein als der Erdtrabant, und zwölfmal dicker als die Erde (real
400mal / 109mal) – damit hatte er die von Aristarch abgeleiteten Werte lediglich verdoppelt.
(Vgl. hierzu die am Ende dieses Textes gegebene Tabelle zur Ermittlung der Astr. Einheit)
Unter dem Anbahnen solch riesiger Dimensionen wuchsen jedoch elementare Zweifel am
Geozentrismus. Das Bild einer dem Weltzentrum entrückten, im Orbit befindlichen Erdkugel
beraubte nun die Menschheit abrupt ihrer einzigartigen Stellung im Universum. Doch einen
Aristarch konnten die braven Hüter früher Naturvorstellungen noch jahrhundertelang unterdrücken, dafür sorgte auch die ‚blendende‘ Autorität des (historisch späteren) Aristoteles. (In
der kreisenden Bewegung der Fixsternsphäre sah der spirituell eine ewige und immaterielle
Substanz verkörpert; die Kreisbewegung als Ausdruck des Vollkommenen – bewegt von
einem zentralen „unbewegten Beweger“!) Wie aber hätten sie wohl reagiert, wären sie mit
den atemberaubenden Einsichten konfrontiert worden, welche die heutige Astrophysik von
den gewaltigen Dimensionen in der Sternenwelt gewonnen hat? Aber das Erstaunen über die
Erscheinungen am Firmament, in unserer ‚aufgeklärten‘ Epoche längst als physisch-materielle
Manifestationen anerkannt (nicht so von der Astrologie ..), es setzt sich fort, selbst uns
Heutige verblüfft noch so manche neue Erkenntnis!
So hat man erst im Laufe der letzten Jahre aus genauer Analyse von Sternspektren ableiten
können, in welchem Maße junge Sonnen noch durch ihre rasche Rotation zu Ellipsoiden
abgeplattet sind. Die hellen Fixsterne Wega (Alpha Lyrae) und Regulus (Alpha Leonis) etwa
erscheinen im Querschnitt deutlich linsenförmig. (Dagegen ist unsere Sonne eine nahezu
perfekte Sphäre: nach extrem genauen Messungen, die gerade vor kurzem möglich geworden
sind, übertrifft ihr Äquatordurchmesser den Poldurchmesser um lediglich 10 Kilometer =
1/140.000 = 0,0007 %.) – Hätte Aristoteles sich in seiner Vorstellung vom Vollkommenen
bestätigt gesehen mit dem, was neuzeitliche Astronomie über die uhrwerkartig exakten
Rotationspulse von Neutronensternen herausgefunden hat, die als „Pulsare“ in Erscheinung
treten? Oder über die gleichsam „ewigen“ Umläufe vieler Doppelsternpartner auf kreisförmig
stabilisierten Orbits ums gemeinsame Schwerezentrum? Der uns nächste Fixstern: Alpha
Centauri, kann hier als anschauliches Beispiel eines solchen Doppelsystems vorgestellt
werden; eine Sonne dieses Duos etwas größer als die unsere, die andere etwas kleiner (dort
wurde unlängst ein Planet von Erddimensionen in nahem Umlauf nachgewiesen). Mit kleinen
Fernrohren sind Alpha Centauri A und B bei ihrem 80 Jahre währenden Umlauf zu beobachten. Und dazu existiert hier als ‚Leichtgewicht‘ noch ein drittes Sternlein: als ein „Roter
Zwerg“ von nur 12% der Sonnenmasse und verschwindend geringer Leuchtkraft (visuell ein
18tausendstel der Sonne); an die beiden anderen gebunden wohl in einem ausladendem Orbit
– Proxima Centauri, im Abstand von 4,2 Lichtjahren von unserem Sonnensystem.
Leider stehen diese Nachbarn unserer Sonne von uns aus uneinsehbar am Südhimmel.
Genauso verhält sich das bei einem weiteren Gestirn von unglaublichen Dimensionen, auch
dieses womöglich aus zwei Sternpartnern bestehend: der mit dem griechischen Eta benannte
Riesenstern im Sternbild Carina. Im Laufe seines Lebens in eine instabile nukleare Brennphase geraten, hatte er um das Jahr 1843 einen Helligkeitsausbruch, der ihn fast so hell
scheinen ließ wie Sirius (der für uns hellste Stern, aufgrund seiner Nähe von 8,3 Lichtjahren)
– und das aus einer Distanz von um die 6000 Lichtjahre! Der Hauptstern in Eta Carinae mag
um die 100 (oder gar 150) Sonnenmassen besitzen; solche gigantischen „Sonnen“ sind nicht
häufig unter den Milliarden Sternen einer Galaxie. (Für sie wurde das Fachwort LBV geprägt:
Luminous Blue Variables, leuchtkräftige blaue Veränderliche) Damit fackelt er sich selber
extrem rasch ab, wobei am Ende seines Lebens jedoch ein feuriges Finale stehen wird: eine
Supernova-Explosion von milliardenfacher Sonnenhelligkeit. Eta Carinae wird am irdischen
Himmel also noch viel heller aufblitzen als anno 1843, welches das extreme Gestirn dann
über viele Monate fürs bloße Auge hell sichtbar bleiben läßt.
Mit den äußerst kompakten „Neutronensternen“ sind Überbleibsel eines solchen Ereignisses
von apokalyptischem Ausmaß nachweisbar geworden, beim hier zu erwartenden SupernovaTyp II: der kolossalen Explosion eines massereichen Sterns (über 8 Sonnenmassen) nach
seinem ‚Ausbrennen“. Dazu besitzen wir nun ein eindrucksvolles Beispiel auch am Nordhimmel. Im Sternbild Stier (Taurus) hat sich vor tausend Jahren eine Supernova dieses Typs
ereignet. Beobachtet und notiert hauptsächlich nur von chinesischen Astronomen jener Tage,
war die Supernova des Jahres 1054 n. Chr. ebenfalls über Monate hinweg noch zu sehen. Die
heute noch dort beobachtbare Explosionswolke ist im 18. Jahrhundert schon Charles Messier
in Paris aufgefallen; in seinem berühmten Katalog hat sie die Nummer Eins erhalten („M 1“).
In unserem Tübinger Teleskop zeigt sie sich – aus ca. 6000 Lichtjahren Entfernung – zwar
nur schwach, doch gibt es phantastische Bilder u.a. des Hubble-Teleskops aus dem Erdorbit,
und das aus verschiedenen Wellenlängenbereichen, bis hin zum Röntgenlicht. In der Mitte des
etwa sechs Lichtjahre messenden, zerfetzten Supernova-Überrest (SNR = Supernova Remnant) steht der äußerst kompakte Überrest des einst massigen Sterns: ein Neutronenstern von
1,4 Sonnenmassen. Als „Pulsar“ rotiert er unglaublich rasch und sendet 33 Pulse pro Sekunde
aus, meßbar auf unserer Erde auch im Optischen – als eine exakte ‚kosmische Uhr‘ mithin.
Neutronensterne bzw. Pulsare sind allein Großteleskopen zugänglich, der Pulsar im Crabnebel
auch der Astrofotografie. Mit unserem Refraktor von 30cm Objektivöffnung können wir
jedoch zwei nahe Exemplare jener Überreste erkennen, die die ausgebrannten „Leichen“
sonnenähnlicherer Sterne darstellen: „Weiße Zwerge“. Schwierig ist das wegen der geringen
Leuchtkraft dieser ebenfalls kompakten Gebilde (geschrumpft auf etwa Erdgröße, während
Neutronensterne um die 15 km messen). Im himmlischen „Fluß“ Eridanus (westlich des
Orion) finden wir das eine Exemplar: 40 Eridani B; lediglich 9,5 Magnituden im sichtbaren
Licht bietet es für unser Auge aus 16,5 Lichtjahren Abstand. Dieser Weiße Zwerg befindet
sich in einem stellaren Dreifachsystem, im Orbit um einen „normal“ fusionierenden Stern von
halbem Sonnenkaliber (Omikron-2 Eridani = 40 Eridani, mit 4,5 mag nur schwach sichtbar),
wobei 40 Eridani B mit einem Roten Zwergstern (C) ein eigenes Doppel bildet; dieser letztere
ist Proxima Centauri vergleichbar – damit sehen wir an unserem Nordhimmel etwas Vergleichbares – während er mit 11 mag als schwächster in diesem Dreiersystem leuchtet; im
Teleskop gerade noch erkennbar. Auch Proxima erscheint uns von 11. Größe. (Ein annotiertes
Sternbildfoto ist als Aufsuchehilfe auf unserer Webseite zu finden: am „Schwarzen Brett“)
Der bekannteste der Weiße-Zwerg-Gilde allerdings sollte in diesen Jahren wieder in unserem
großen Tübinger Rohr sichtbar werden: Sirius B, im „Großen Hund“ östlich des Orion. Im 50
Jahre währenden Orbit mit dem Hauptstern Sirius A ums Schwerezentrum, konnte der Zwerg
seit den 1980er Jahren nicht mehr optisch vom A-Stern getrennt werden, weil ihn seine Bahnlage zu nah an Sirius A herangeführt hatte. Auch dieser Weiße Zwerg erscheint nur als ein
schwaches Lichtpünktchen, aus der Distanz von 8,3 Lichtjahren. – Wenn abschließend von
einem weiteren extremen Typ von Gestirn die Rede sein soll, dann wird dieses in keiner Art
von Teleskop ‚vorstellbar‘ erscheinen: ein Schwarzes Loch. Mindestens drei Sonnenmassen
müssen sich hier zu einem ultrakompakten Gebilde vereinigt haben (1,4 Sonnenmassen bei
einem Neutronenstern), stellt man sich vor. Trotz ihres scheinbaren Verschwindens von der
Bildfläche lassen sich diese Extreme jedoch nachweisen, und dies geschieht über die Auswirkungen ihrer Schwerkraft (die ja noch voll wirksam ist). Hoch beschleunigte Gaswolken oder
gar ganze Sterne senden bei jähem Einfall etwa in das supermassive Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße von etwa vier Millionen Sonnenmassen starke Röntgenpulse aus.
Mit unserem Tübinger Teleskop nun läßt sich im Sternbild Schwan wenigstens ein Exemplar
der unheimlich anmutenden Schwarzen Löcher erahnen, und das anhand eines hellen Blauen
Riesensterns, welcher um seinen zur kompakten Leiche gewordenen ehemaligen Partnerstern
kreist: Cygnus X-1. Das „X“ steht für die von der Umgebung des Schwarzen Lochs emittierte
Röntgenstrahlung. Über zehn (bis zwanzig?) Sonnenmassen krümmen hier die Raum-ZeitMatrix zu einem Punkt zusammen. Der blaue Partnerstern allerdings ist auch im Teleskop nur
schwach erkennbar, visuell mit „9. Größe“ – denn dieses System steht in einer Entfernung
von >6000 Lichtjahren in den Tiefen der sternreichen Milchstraßenregion des Schwans. – Das
kleine Sternchen 61 Cygni im Schwan nutzte anno 1838 übrigens Friedrich Wilhelm Bessel
auf der Königsberger Sternwarte bewußt zu der ersten Ermittlung einer Fixsterndistanz: mit
10,1 Lichtjahren traf er schon sehr exakt den aktuell gültigen Wert (11,4)! 61 Cygni zeigen
wir in Führungen. Schon Kepler postulierte solche Sternparallaxen, nun ließen sich messen.
Derart beachtliche Forschungsergebnisse hätten den eingangs zitierten „Vorsokratiker“
Anaxagoras zweifellos verblüfft. Doch war vielleicht er es gewesen, dessen Naturphilosophie
– die im Wesentlichen über Aristoteles der Nachwelt vermittelt worden ist – der antiken
Weltschau wegweisende Maßstäbe zu einer neuen Sicht vermittelt hat. Als erster Philosoph
erkannte Anaxagoras: „Der Mond hat sein Licht von der Sonne“. Seine integre Autorität
veranlaßte den Staatsmann Perikles dazu, ihn als seinen Berater hoch zu schätzen; sogar in
der Himmelskunde ließ der sich von ihm unterweisen. Auch Platon und Sokrates wurden
durch ihn beeinflußt. Wie gründlich, wie ‚modern‘ hat Anaxagoras (als antiker Mensch wohl
in ähnlicher Weise wirksam wie der spätere klerikale „Pförtner zur Neuzeit“: Cusanus =
Nikolaus von Kues) die Naturschau und Naturphilosophie betrieben, wenn wir den folgenden
Passus von ihm lesen – überliefert aus seinem Werk „Über die Natur“ –; es geht der Blick hier
von der Atomistik bis hin zu den erahnten unermeßlichen Dimensionen:
„Alle Dinge waren beisammen unendlich an Menge und Kleinheit. Denn auch das Kleine geht
ins Unendliche. Und solange sie beisammen waren, war infolge ihrer Kleinheit keines
deutlich. Luft und Äther nämlich, beide unendlich, hielten alles fest. Denn diese bildeten die
bedeutendsten Bestandteile des Alls an Menge und an Ausdehnung.“
Vielleicht hat einst Aristoteles über Anaxagoras auch den Weg vorgezeichnet bekommen,
über einen „unbewegten Beweger“ nachzusinnen (s.o.)? Denn sein Vorläufer erahnte neben
dem gerade zitierten Prinzip der stofflichen Vorgänge noch ein weiteres als weltbestimmend:
das der Einsicht, des Verstehens und Überdenkens (griech. noein; auch Parmenides, einen
anderen bedeutenden Vorsokratiker, hielten solche Aspekte in Bann). Wieviel mehr aber
dürfte das für uns Heutige nun immer neue Anlässe bieten, über „Gott und die Welt“ zu
reflektieren, die wir von einer gereiften, exzessiven Forschung immer nachdrücklicher mit
staunenswerten Erkenntnissen überladen werden?
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Aufschlußreich für den langen Erkennnisprozeß zu den unvorstellbaren Dimensionen allein
schon im Sonnensystem ist die Geschichte der Vermessung der Astronomischen Einheit (AE
= durchschnittliche Distanz der Erde von der Sonne). Die folgenden Etappen hat es gegeben:
1595
Tycho de Brahe
8.000.000 km
1610
Johannes Kepler
24.000.000 km
1672
Giovanni Cassini
140.000.000 km
1882
Venus-Transit
149.279.200 km
1960
Venus-Radarstudien
149.666.100 km
2012
Int. Vereinbarung
149.597.871 km