Beteigeuze, der rote Überriese im Orion

 


Das Sternbild Orion. Der Stern Beteigeuze (Alpha Orionis) ist mit dem roten Pfeil angedeutet.
Bild:
Wikimedia Commons

 

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23-04-2010

Update 13-09-2014

 

Ein kurzes, wildes Leben

Der rote Überriese Beteigeuze im Orion verausgabt sich mit gigantischen Materiemengen

 

Von Christel Heybrock

 

Elefanten sind ja eher langsame, langlebige Geschöpfe. Generell kann man sagen, dass große Tiere länger und gelassener leben als kleine. Am Himmel ist das ganz anders: Unscheinbare kleine Sterne glühen über lange Zeit ein bisschen vor sich hin, während die hellen Riesen sich in einem kurzen, heftigen Leben verausgaben und in einem spektakulären Schauspiel als Supernova sterben. Es hängt einfach mit ihrer Masse und ihrer Temperatur zusammen.

 

Je größer ein Stern ist, desto heller strahlt er, weil einfach mehr Fläche leuchtet – genauer gesagt, steigt die Leuchtkraft mit dem Quadrat des Sternradius. Und je heißer er ist, desto mehr Energie strahlt er normalerweise auch ab, denn die Abstrahlung wächst mit der vierten Potenz seiner Temperatur. Schon bei der „Geburt“ eines Sterns, wenn nämlich beim Kollaps einer Molekülwolke der atomare Fusionsprozess gezündet wird, werden Temperaturen von einigen Millionen Grad Kelvin erreicht (Kelvin-Grade sind keine andere Maßeinheit als Celsius-Grade, nur dass der Kelvin-Nullpunkt erst bei minus 273 Grad Celsius erreicht ist). Und die innere Hitze eines Sternriesen feuert die Kernfusion so richtig an: Sterne leuchten, indem sie ihr Wasserstoffgas in Helium umwandeln, und wenn der Wasserstoff verbraucht ist, beginnt das Helium zu brennen, womit der Sternenriese einerseits schwerere Elemente herstellt und andererseits bereits seinen Sterbeprozess einleitet.

 

Zu diesen jungen, brodelnden und spuckenden Temperamentsbolzen, denen ein früher Tod beschieden ist, gehört einer der schönsten Sterne, die mit bloßem Auge zu sehen sind: Beteigeuze, der rote Lichtpunkt im Sternbild Orion, genauer gesagt, der linke Schulterstern des Orion (Alpha Orionis). Gerade mal 10 Millionen Jahre jung (unsere gemütlich vor sich hin brutzelnde Sonne hat bereits viereinhalb Milliarden Jahre geschafft), befindet sich Beteigeuze schon in einer kritischen Phase, die sein Ende voraussehen lässt. Etwa 600 Lichtjahre von der Erde entfernt, hat Beteigeuze einen unvorstellbar großen Durchmesser: Er ist 662 Mal so groß wie die Sonne und sprüht 10.000 Mal so viel Licht ins All. Wäre er unsere Sonne, reichte sein Radius bis zur Umlaufbahn des Jupiter – es gäbe weder unsere Erde noch die anderen terrestrischen Planeten wie Merkur, Venus und Mars. Kein Wunder, dass der gigantische Gaskörper der zehnthellste Stern am Himmel ist.

 


Beteigeuze ist von einer riesigen Nebelwolke umgeben, die 2011 erstmals mit dem VISIR-Instrumernt des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) detailreich sichtbar gemacht werden konnte. Der kleine schwarze Kreis in der Mitte ist eine Maske, mit der Beteigeuzes enorme Helligkeit ausgeblendet wurde: Sie hätte den Nebel sonst völlig überstrahlt. Der zerfließende Punkt innerhalb des schwarzen Kreises ist Beteigeuze selbst, so wie er auf früheren Aufnahmen sichtbar wurde. Der Nebel erstreckt sich bis zu 60 Milliarden km ins All und besteht aus Materie (Gas, Silikate, Aluminiumstaub), die Beteigeuze ins All geblasen hat, wobei er seine Atmosphäreschichten offenbar asymmetrisch und in Klumpen abstieß. Aus einem vergleichbaren Vorgang entstand vor rund 4,6 Milliarden Jahren unser Sonnensystem: aus dem Material, das ein sterbender Riesenstern ausstieß.
Foto: ESO 1121de/P. Kervella

 

Außer Mira im Sternbild Cetus (Walfisch) ist Beteigeuze auch der einzige Stern, den Astronomen bisher als Flächenausdehnung sehen konnten, alle anderen erscheinen immer noch als Lichtpunkte, deren individuellen Eigenschaften sie mit trickreichen Messungen zuleibe rücken. Als Beteigeuzes Radius durch die nicht minder trickreiche Methode der Interferometrie ermittelt wurde, stellte sich heraus, dass er gar nicht konstant ist: Der Stern pulsiert, er zieht sich zusammen und dehnt sich wieder aus, sein Radius schwankt zwischen 290 Millionen und 480 Millionen Kilometern. Damit gehört er zu den Veränderlichen vom Mü-Cephei-Typ, dem von Wilhelm Herschel 1738-1822) so bezeichneten „Granatstern“ im Sternbild Cepheus. Dieser Mü Cephei, der tiefrote Granatstern, der auch unter dem Namen Erakis firmiert, kann es allerdings in punkto Ausmaße und Leuchtkraft mühelos mit Beteigeuze aufnehmen, aber er ist weiter entfernt: der Granatstern ist 60.000 Mal so leuchtkräftig wie die Sonne, sein Durchmesser fast anderthalbtausend Mal so groß.

 

Riesenverhältnisse, die kaum noch vorstellbar sind. Aber wie kommt es, dass manche veränderlichen Sterne die unheimliche Eigenschaft haben zu pulsieren? Es handelt sich da um eine frühzeitige Alterserscheinung. Wenn beispielsweise der Wasserstoffvorrat im Sternzentrum zu Helium verbrannt ist und der Wasserstoff quasi als brennende Zwiebelschale nach außen gewandert ist, braucht der Stern eine höhere Temperatur, um innen mit dem Heliumbrennen zu beginnen: Er zieht sich zusammen, wobei Energie freigesetzt und die Zentralregion aufgeheizt wird, so dass die Kernprozesse sich beschleunigen und bei etlichen Millionen Grad Kelvin im Innern das Heliumbrennen zündet: Ab einer Temperatur von etwa 120 Millionen Kelvin verbrennen beispielsweise drei Heliumatomkerne zu jeweils 1 Kohlenstoffkern. Die letzten Wasserstoffvorräte brennen aber in einer äußeren Schicht weiter, und durch den verstärkten Druck im Innern dehnen sich die Außenbereiche aus, wodurch die Oberflächentemperatur wieder sinkt, denn beim Aufblähen wird die äußere Schicht für die Energieabstrahlung aus dem Innern durchlässig und kühlt ab: Der Stern schrumpft. Durch das Schrumpfen aber wird die Außenschicht undurchlässig und heizt sich erneut auf, so dass der Stern sich wieder aufbläht. Viele Pulsationsveränderliche pulsieren in erstaunlich regelmäßigen Perioden, wobei die Periodendauer von der Quadratwurzel der mittleren Dichte abhängt. Aber Beteigeuze und der Granatstern gehören nicht zu den Variablen, nach denen man die Uhr stellen könnte: Vor allem Beteigeuze ist unberechenbar in seinem Verhalten.

 


Interstellares Material schiebt Beteigeuze wie in einer gewaltigen Bugwelle vor sich her, indem er mit 30 Sekundenkilometern durchs All prescht. Die Darstellung basiert auf Messdaten des japanischen Infrarot-Teleskops Akari 2008.
Bild: JAXA

 

Zumindest seine Helligkeit variiert mit einer nur halb regelmäßigen Periode von 2070 Tagen, wobei auch die Länge dieser Zeitspanne ungewöhnlich ist. Amerikanische Wissenschaftler publizierten 2009 die Beobachtung, dass der Durchmesser von Beteigeuze seit 1993 um 15 Prozent geschrumpft ist, ohne dass dadurch die Helligkeit konstant abgenommen hätte. Aber die Instabilität von Beteigeuzes Außenschichten führt dazu, dass er gewaltige Materieschichten ins All versprüht – jedes Jahr wird er etwa um die Masse der Erde weniger, wobei er das interstellare Material nicht nur bereichert, sondern es auch wie in einer Bugwelle vor sich her treibt. Das japanische Infrarot-Weltraumteleskop Akari konnte diesen Bow Shock sogar bildlich darstellen: Die Bugwelle hat einen Durchmesser von etwa drei Lichtjahren! Während Beteigeuze seine Materie in „Windstößen“ von 17 km pro Sekunde auspustet, trifft er auf Teilchenströme, die aus den Sternentstehungsgebieten des Orion stammen und immerhin mit 11 km pro Sekunde dahinfegen. Und der sterbende Rote Riese ist selber keineswegs langsam, er schafft bei der Durchquerung der Teilchenströme 30 km pro Sekunde. In seiner Umgebung, die wir mit bloßem Auge und noch mit einem Amateurteleskop als völlig leer sehen, herrscht also ein wildes Stürmen und Brodeln, ein Zusammenprallen, sich Abstoßen und Vorwärtsdrängen von dramatischen Ausmaßen.

 


Aus dem überkochenden Topf des Riesensterns ziehen sich Materieschwaden Millonen von Kilometer in den Weltraum. Messdaten des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile ergaben Emissionen, die größenmäßig fast bis an den Rand unseres Sonnensystems reichen würden (die Skala auf der rechten Bildseite erstreckt sich vom hellen Sonnenpünktchen ganz oben bis über die Neptun-Umlaufbahn hinaus (unten, bei 35 Astronomischen Einheiten - das ist 35mal die Entfernung Erde-Sonne). Die Skala auf der linken Bildseite deutet den Durchmesser von Beteigeuze an: Was der Stern an Materie wegpustet, dehnt sich mehr als sechsmal so weit aus, wie er selber groß ist, und das sind nur die Dimensionen, die man bis 2009 feststellen konnte. Der Materienebel des Sterns ist tatsächlich noch weit umfangreicher (siehe Foto oben)

Bild: ESO/L. Calcada

 

Aber nicht nur in Beteigeuzes Umgebung, sondern auch in ihm selbst spielen sich heftige dynamische Prozesse ab. Erneut mittels Interferometrie haben Wissenschaftler der Europäischen Südsternwarte (ESO) Beteigeuze 2009 im nahen Infrarot beobachtet und erstmals gesehen, wie auf einem fremden Stern Gaseruptionen entstehen und ins All getrieben werden. Die Oberfläche von Beteigeuze jedenfalls blubbert und kocht gewaltig vor sich hin, Gasblasen vom Durchmesser der Mars-Umlaufbahn heben und senken sich mit einer Geschwindigkeit von 40.000 Stundenkilometern und stoßen Materie aus - keineswegs in einem ruhigen, kontinuierlichen „Sternwind“, sondern in explosionsartigen Bögen und Klumpen. Ganze Schwaden aus Gas wabern von Beteigeuzes Oberfläche aus ins All, riesige Materiefahnen, die den Durchmesser selbst dieses Riesensterns um gigantische Maße übertreffen.

 


Beteigeuze als Fläche, gesehen vom Infrared-Optical Telescope Array in Arizona unter Regie von Wissenschaftlern des Observatoire de Paris. Zwei gigantische helle Flecken deuten Temperaturzonen an, die 500 Kelvin heißer sind als ihre 3600 Kelvin-Umgebung: Aus Beteigeuzes Innerem steigen riesige Konvektionszellen empor.
Bild: Oberservatoire de Paris/Xavier Haubois et al.

 

Die jüngsten Ansichten des Roten Riesen stammen vom Infrared-Optical Telescope Array (IOTA) in Arizona, einer Anlage, in der drei Teleskope zusammengeschaltet werden. Sie zeigen zwei gewaltige helle Flecken auf dem Stern, der größere Flecken beträgt rund ein Viertel von Beteigeuzes Durchmesser. Wissenschaftler des Observatoire de Paris führten diese Untersuchung und stellten fest, dass es sich um Partien handelt, die 500 Grad heißer sind als die Durchschnittstemperatur von 3.600 Kelvin und offenbar Konvektionszellen darstellen, also Bereiche, die aus dem Innern hochgekocht sind. Konvektion beispielsweise spielt sich im Kleinen ab, wenn in einem Topf Wasser kocht und Blasen wirft. Auch auf der Sonne findet ständig Konvektion statt, wie jeder Stern schmurgelt und siedet auch sie vor sich hin und spuckt mitunter beachtliche Auswürfe ins All. Bei Beteigeuze aber hat das alles ganz andere Ausmaße, der Stern ist wie ein Körper, der sich vor lauter Kraft in Krämpfen verzehrt.

 


Mal zum Vergleich: unsere Sonne, in der es ja auch permanent brodelt und brutzelt. Die Aufnahme vom 30. März 2010 gehört zu den First-Light-Fotos des NASA-Sonnenforschungssatelliten SDO (Solar Dynamics Observatory), der am 11. Februar 2010 startete und als Nachfolger der SOHO-Mission fungiert. Oben links eine heftige Eruption aus ionisiertem Helium mit einer Temperatur von immerhin 50.000 Grad Celsius. Im Gegensatz zu Beteigeuze geht es hier trotz aller Aktivität aber fast schläfrig zu.
Foto: NASA/SDO image 756

 

Und ein spektakulärer Tod ist mit Sicherheit auch das Schicksal von Beteigeuze. Astronomen rechnen damit, dass der Stern eines Tages in einer Supernova zerrissen wird, in einer Explosion, deren Helligkeit noch am Taghimmel zu sehen sein dürfte. Die 2014 erschienene Studie eines internationalen Forscherteams unter Führung des Argelander-Instituts für Astronomie in Bonn stützte sich unter anderem auf Computersimulationen und ergab, dass sich der Todeskampf womöglich sogar in zwei gewaltigen Explosionen abspielen wird. Zuerst wird der Stern selbst in einem Energieausbruch kollabieren, der unserer Fantasie kaum mehr vorstellbar ist und ein Schwarzes Loch hinterlässt. Zugleich aber rasen die abgesprengten Materiefetzen auf ihrem Weg nach außen in eine Materiehülle hinein, die Beteigeuze in Millionen Jahren ins All gepustet hat und die infolge hochenergetischer Strahlung von außen stabil geworden ist: Es handelt sich um eine dichte Hülle, die nicht identisch ist mit der Materie der Bugwelle, sondern den Stern in viel geringerer Entfernung umgibt und durch Photoionisation bewegungslos wurde. Wenn die bei der Supernova abgesprengten Fetzen mit einer Geschwindigkeit von mehreren Tausend Kilometern pro Sekunde auf diese Hülle knallen, wird es einen zweiten Crash geben - der zeitliche Abstand liegt in einer Spanne von wenigen Monaten bis zu höchstens drei Jahren, was auf die enorme Ausdehnung des ganzen Aktionsfeldes hindeutet. Wir werden es während unserer Lebensdauer wohl nicht mitbekommen, das Schauspiel kann sich zwar schon "morgen" (so einer der Bonner Astronomen), aber auch in ein paar tausend Jahren abspielen, vielleicht gar in hunderttausend Jahren, und für astronomische Begriffe ist das morgen oder übermorgen.

 

Vor 65 Millionen  Jahren starben auf der Erde die Dinosaurier aus, Beteigeuze gab es damals noch gar nicht. In dreißig-, vierzigtausend Jahren, nicht etwa in Millionen oder ein paar Milliarden Jahren (die unsere Sonne noch locker schaffen wird), wird der rote Stern im Orion wieder aus dem irdischen Blickfeld verschwinden – was für ein kurzes, wildes Leben für einen Riesen, der uns am Himmel ewig vorkommt!

 

Infos:

- http://de.wikipedia.org/wiki/Beteigeuze

- http://www.eso.org/public/belgium-de/press-rel/pr-2009/pr-27-09.html

- http://www.obspm.fr/actual/nouvelle/jan10/betel.en.shtml

- http://www.esa.int/esaSC/SEMCJT4DHNF_index_0.html
- http://www.eso.org/public/germany/news/eso1121/

- Doppelexplosion anlässlich der Supernova: http://www.nature.com/nature/journal/v512/n7514/full/nature13522.html

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