Glühender Stein oder elektrische Kugel?

Sternengeschichten Folge 413: Wie die Sonne nicht leuchtet

In dieser Folge der Sternengeschichten erfahrt ihr, wie die Sonne nicht leuchtet. Wie die Sonne ihre Energie produziert habe ich ja schon in den Folgen 168 und 169 erklärt; sehr ausführlich. Sie tut das durch Kernfusion, aber darum soll es ja heute nicht gehen. Sondern darum, wie sie ihre Energie nicht produziert. Und nein, das ist bei weitem keine so blöde Idee für ein Thema wie es klingt. Denn es hat erstaunlich lange gedauert bis wir herausgefunden haben, wie unser Stern funktioniert und auch wenn der Weg dorthin voll mit falschen Ideen ist, ist es ein sehr interessanter Weg auf dem man jede Menge lernen kann.

Die Sonne gehört ja zu den Himmelskörpern die man nicht erst extra entdecken muss. Übersehen kann man sie ja kaum wenn sie tagsüber unsere Welt erleuchtet. Aber mehr als dass da ein helles Licht am Himmel ist, das sich über diesen Himmel bewegt und immer wieder für eine gewisse Zeit verschwindet, wusste man lange Zeit nicht. Schon gar nicht, was die Ursache für ihr Licht ist. Zuerst - also in vorhistorischer Zeit; also in der Zeit vor ein paar Tausend Jahren die wir Bronzezeit oder Steinzeit nennen, musste man sich darauf beschränken, den Lauf der Sonne am Himmel der Erde zu verstehen. Dass es in Wahrheit gar nicht die Sonne ist die sich bewegt sondern die Erde, die sich um ihre Achse dreht, wusste damals niemand und es konnte auch niemand wissen. Man konnte nur das wissen, was man direkt sehen konnte. Und das war die Bewegung der Sonne am Himmel, die sich wunderbar dafür eignete, einen Überblick über die Zeit zu behalten. Auch darum soll es heute aber nicht gehen; wie das funktioniert hat, habe ich schon mal in Folge 89 erzählt.

Ein bisschen später, also um die Zeitenwende vor knapp 2000 Jahren herum stellte man im antiken Griechenland erste Vermutungen über die Größe zur Sonne und ihre Distanz zu Erde auf. Meistens waren die Resultate dieser Überlegungen weit von der Realität entfernt - aber immerhin fing man mal damit an, sich solche Gedanken zu machen und die Sonne als Objekt zu betrachten und nicht als Manifestation der Götter.

Und hier treffen wir auf Anaxagoras. Der Mann mit dem Namen der klingt wie aus einem Harry-Potter-Roman war ein griechischer Philosoph der im 5. Jahrhundert vor Christus lebte. Er war einer der ersten, der das Universum ohne Rückgriff auf Götter zu erklären versuchte. Im Gegensatz zu seinen Zeitgenossen stellte er sich die Sonne schockierenderweise nicht als Gottheit vor. Sondern als einen Stein. Einen sehr großen Stein; größer als die Peloponnes, also die griechische Halbinsel die Athen gegenüber liegt. Sie hat eine Fläche von circa 22.000 Quadratkilometer; ungefähr ein Viertel der Fläche von Österreich, ein Drittel der von Bayern oder die Hälfte der Fläche der Schweiz. Was aus damaliger Sicht wie ein wirklich großer Stein gewirkt haben muss. Und dieser Stein müsste glühendheiß sein, deswegen würde die Sonne leuchten. Das klingt ein wenig absurd, aber Anaxagoras war - zumindest was diese eine Sache angeht - quasi der erste Sonnenphysiker. Er wollte erklären wie die Sonne leuchtet und hat dafür nicht auf irgendeine religiöse-magische Erklärung zurückgegriffen, sondern auf ein natürliches Phänomen das er auch in seinem Alltag beobachten konnte- Dass er damit völlig daneben lag, schmälert seine Leistung ein wenig. Aber nicht viel. Man muss sich erst einmal trauen, so einen Gedanken zu haben - in einer Zeit, in der es allen anderen als vollkommen normal erscheint dass das leuchtende Ding am Himmel eine Gottheit ist, braucht man viel kreativen Erklärungswillen um sich eine andere Ursache auszudenken. Und gefährlich war es außerdem: Anaxagoras wurde angeklagt, weil er die Göttlichkeit der Sonne in Frage stellte und zum Tode verurteilt. Einflußreiche Freunde konnten ihn davor bewahren; aber er wurde verbannt und ins Exil geschickt - bis zu seinem Tod konnte Anaxagoras nicht mehr nach Athen zurück kehren.

In der Zeit nach der Antike ist jede Menge passiert. Forscher haben Sonnenflecken beobachtet; haben darüber spekuliert ob sich die Sonne um die Erde bewegt oder die Erde um die Sonne; sie haben darüber nachgedacht wie weit die Sonne weg ist, ob dort Götter oder Geister wohnen, und so weiter. Aber so interessant diese Geschichte sind - wir wollen uns mit der Energie der Sonne beschäftigen. Und springen daher gleich in die Neuzeit. Zu Beginn des 17. Jahrhunderts stellte Johannes Kepler seine Gesetze zur Bewegung der Planeten auf. Und kurz danach veröffentlichte Isaac Newton seine revolutionäre neue und mathematische Beschreibung der Welt, inklusive dem Gravitationsgesetz. Damit konnte Newton auch die Masse der Sonne berechnen. Zumindest im Prinzip. Er konnte auf jeden Fall das Verhältnis zwischen Erdmasse und Sonnenmasse bestimmen; um den absoluten Wert zu berechnen, also um sagen zu können dass die Masse der Sonne so und so viel Kilogramm beträgt hätte Newton den genauen Wert der Gravitationskonstante kennen müssen. Das ist eine Zahl die die Stärke der Gravitationskraft beschreibt; die man aber damals noch nicht gut bestimmen konnte. Newton musste also schätzen und er hat sich leider ein wenig verschätzt. Aber immerhin fing man langsam an, der Realität näher zu kommen. Die Sonne musste sehr viel größer und sehr viel schwerer als die Erde sein. Sie musste außerdem vermutlich ein Stern sein. Oder andersherum: Die vielen leuchtenden Punkte am Nachthimmel mussten ähnliche Objekte wie unsere Sonne sein - nur eben weiter weg weswegen wir sie schwächer leuchten sehen. Aber warum die Sonne leuchtet wusste man immer noch nicht so wirklich.

Wilhelm Herschel, der große Astronom der im 18. Jahrhundert den Planeten Uranus entdeckt hat, war der Meinung, die Sonne wäre erstens eine Kugel mit fester Oberfläche, zweitens relativ kühl und würde nur deswegen leuchten, weil sie von einer Schicht aus leuchtenden Wolken umgeben ist. Darüber hinaus war er der Meinung, die Sonne wäre bewohnt, wie ich in Folge 333 erzählt habe. Warum die Wolken leuchten, konnte er aber auch nicht erklären. Damals schwirrten jede Menge aus heutiger Sicht seltsame Ideen durch die Welt. Vielleicht enthalten alle Dinge irgendeinen mysteriösen "Wärmestoff" der von den Strahlen der Sonne aktiviert wird. Und dort wo viel Wärmestoff vorhanden ist, wird es heiß; wo es weniger davon gibt, bleibt es kühl. Die Anhänger dieser Theorie bezweifelten stark, dass es auf der Sonne heiß ist oder dass da gar irgendeine Art von Feuer brennen würde. Andere hatten die Idee, dass die Sonne eine elektrische Kugel ist, also quasi eine Glühlampe, die den Strom für ihr Leuchten durch ihre schnelle Bewegung durchs All erzeugt. Auch hier wäre die Sonne eher kalt und kein "Feuer". In einem physikalischen Nachschlagewerk aus dem Jahr 1798 konnte man damals lesen "Das Beste ist also wohl, aufrichtig zu gestehen, daß man von der Beschaffenheit, dem Stoffe und der Bewohnbarkeit des Sonnenkörpers gar nichts zu sagen wisse.".

Tja. Dann kam das 19. Jahrhundert und es kamen der Physiker Gustav Robert Kirchhoff und der Chemiker Robert Wilhelm Bunsen. Zwischen 1857 und 1863 entwickelten die beiden in Heidelberg das, was wir heute "Spektralanalyse" nennen. Also eine Methode, wie man Licht so untersuchen kann um herauszufinden, aus welchem Material das besteht, was das Licht aussendet und - unter anderem - welche Temperatur dieses Material haben muss. In der Realität ist es natürlich ein wenig komplizierter. Aber Kirchhoff und Bunsen stellten auf jeden Fall fest, dass das Sonnenlicht aus einer heißen, glühenden Umgebung kommen muss. Und stellten sich die Sonne als festes oder flüssiges, extrem heißes Objekt vor dessen glühende Oberfläche wir leuchten sehen. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts konnte man die Sonne dann auch im Teleskop immer genauer beobachten; unter anderem die Sonnenflecken. Und aus der Untersuchung ihrer Bewegung konnte man feststellen: Die Sonne muss gasförmig sein.

Also eine sehr große, sehr schwere, sehr heiße Kugel aus Gas. Das ist schon ein wenig besser als ein glühender Stein der so groß wie eine griechische Halbinsel ist. Aber die Frage nach der Energie bleibt immer noch offen. Der deutsche Arzt Julius Robert Mayer hatte in der Mitte des 19. Jahrhunderts eine ziemlich gute Idee. Mayer war zwar Arzt - aber trotzdem einer der ersten, der den so enorm wichtigen "Ersten Hauptsatz der Thermodynamik" formuliert hat. Der in seiner einfachsten Version besagt: Energie muss immer erhalten bleiben. Energie kann sich zwar von einer Form in eine andere Form umwandeln. Aber nicht einfach verschwinden. Diese Idee wandte er auch auf die Sonne an und behauptete: Ständig fallen Asteroiden, Kometen und anderer Kleinkram in die Sonne. Diese Objekte sausen mit hohem Tempo durchs Sonnensystem. Sie haben also jede Menge Bewegungsenergie. Wenn sie auf die Sonne treffen, dann kann diese Bewegungsenergie nicht einfach verschwinden. Sie muss umgewandelt werden und zwar in Wärmenergie. Genau deswegen ist die Sonne so heiß und genau deswegen leuchtet sie auch!

Das ist keine blöde Idee. Die Sonne könnte so leuchten; wir wissen, das Asteroideneinschläge jede Menge Wärme produzieren. Aber damals wusste man auch noch nicht, wie alt die Sonne eigentlich ist. Und damit wusste man auch nicht, wie viel Energie die Sonne eigentlich benötigt. Wenn die Sonne nur ein paar tausend Jahre alt ist, dann kann man sich theoretisch auch eine gigantische Kugel aus Kohle vorstellen die halt zufällig durch irgendwas angezündet worden ist und seitdem vor sich hin brennt. Wenn die Sonne viel älter ist, braucht man allerdings eine Energiequelle die länger durchhält als ein bisschen Kohle. Mayers Theorie mit den Meteoriten könnte eine sehr alte Sonne jedenfalls nicht ausreichend mit Energie versorgen. Genau so wenig wie eine andere, ebenfalls nicht so blöde Idee, die von verschiedenen Leuten geäußert wurde; insbesondere aber von Hermann von Helmholtz und William Thompson, dem Lord Kelvin - beides sehr berühmte Physiker des 19. Jahrhunderts. Das Prinzip wird deswegen auch Kelvin-Helmholtz-Kontraktion genannt. Auch dabei geht es um die Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärme: Wenn eine große Masse unter ihrer eigenen Schwerkraft in sich zusammenfällt, dann wird dabei Wärmeenergie frei. Das war für Kelvin die einzige plausible Energiequelle für die Sonne. Er hatte Daten über die Wärmemenge in der Erde benutzt um das Alter unseres Planeten abzuschätzen. Und ging davon aus, dass Erde und Sonne ungefähr gleich alt sein müssen. So kam er zu dem Ergebnis, dass die Sonne höchstwahrscheinlich ein paar Dutzend Millionen Jahre alt ist. So lange leuchtet keine chemische Energiequelle; also keine Verbrennung. Egal was man anzünden würde, nichts würde so lange brennen. Wenn die Sonne aber eine große Gaskugel ist und unter ihrem eigenen Gewicht langsam immer kleiner wird, würde das ausreichend Energie für ein paar Millionen Jahre liefern.

Was richtig ist. Der Effekt existiert; wir beobachten das zum Beispiel bei den Gasplaneten Jupiter und Saturn die genau mit diesem Mechanismus Wärme produzieren. Aber für die Sonne reicht es nicht. Denn die ist viel älter; genau so wie die Erde. Kelvin wusste damals noch nichts über die Radioaktivität des Gesteins im Inneren der Erde, die ebenfalls Wärme produziert. Deswegen war seine Schätzung falsch und radioaktive Methoden machten es dann im frühen 20. Jahrhundert möglich, das Alter der Sonne deutlich nach oben zu korrigieren.

Und im 20. Jahrhundert kam dann auch die Person, die uns endlich erklären konnte, wie die Sonne leuchtet. Albert Einstein und mit ihm die berühmteste Formel der Welt: E=mc². Energie und Masse können ineinander umgewandelt werden. Durch die Fusion von Atomkernen kann man Energie freisetzen, wie ich in Folge 363 der Sternengeschichten genauer erklärt habe. Und genau das macht die Sonne: Sie hat jede Menge Kerne von Wasserstoffatome und genau die fusioniert sie zu Helium. Kernfusion erzeugt JEDE MENGE Energie und die Sonne hat genug Wasserstoff um Milliarden Jahre lang damit zu leuchten. Ganz gelöst war das Problem aber immer noch nicht. Denn damit die Kernfusion funktioniert muss die Temperatur im Inneren der Sonne hoch genug sein. Das war sie aber nach allem was man damals wusste nicht.

Es brauchte auch noch die zweite große wissenschaftliche Revolution; ebenfalls mit ausgelöst durch Albert Einstein: Um die Energiequelle der Sonne zu verstehen war auch noch die Quantenmechanik nötig. Und ein komplett absurdes Phänomen das "Tunneleffekt" genannt wird. Den erkläre ich jetzt nicht im Detail. Aber die Kurzversion geht so: Wenn zwei Wasserstoffatome aufeinander treffen und nicht schnell genug sind, prallen sie einfach voneinander ab. Aber nicht immer! Weil laut Quantenmechanik ein Teilchen eben eigentlich kein Teilchen ist, sondern immer auch ein bisschen eine Welle (oder genauer gesagt: Halt weder Welle noch Teilchen sondern etwas, was keinen konkreten Ort hat), kann es sein, dass es doch mit der Fusion klappt. Man kann sich das so vorstellen wie eine Wand, die überwunden werden muss, damit zwei Atome fusionieren können. Sind die Atome schnell genug, können sie über die Wand hüpfen und sich treffen. Sind sie zu langsam, dann prallen sie von der Wand ab. Aber weil so ein Atom eben keinen konkreten Ort hat sondern immer ein bisschen durch die ganze Gegend "verschmiert" ist, ist es immer auch ein bisschen schon hinter der Wand. Das klingt schwer vorstellbar, ist aber so. Genau das besagen die Gesetz der Quantenmechanik und die sind im Experiment mehr als gut bestätigt. In unserem Bild würde das bedeuten: Wenn ein Atom oft genug auf die Wand zufliegt, wird es irgendwann einmal nicht zurückprallen sondern einfach durchfliegen. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist enorm gering. Im echten Leben könnte man zum Beispiel einen Ball länger gegen eine Wand werfen als das Universum alt ist und hätte trotzdem so gut wie keine Chance, dass er irgendwann glatt durchgeht. Bei Atomen stehen die Chancen ein bisschen besser und vor allem gibt es in der Sonne ENORM VIELE Atome. Es passiert zwar nicht oft, aber bei so vielen Atomen ist immer eines dabei, bei dem es gerade klappt, obwohl es eigentlich zu langsam für eine Fusion wäre. In Summe reicht das, um ausreichend viele Atome fusionieren zu lassen, um die Sonne zum Leuchten zu bringen. Das konnte man 1929 nachweisen - komplett gelöst war die Sache aber immer noch nicht.

Denn es gibt verschiedene Wege wie man durch Kernfusion Energie produzieren kann. Auch hier spare ich mir die Details. Aber man wusste zwar, dass die Sonne Energie aus Kernfusion bezieht. Aber nicht, wie genau sie das tut, also auf welchem Weg und mit welchen Zwischenschritten sie aus Wasserstoff Helium macht. Man kannte die Möglichkeiten die in Frage kommen - wusste aber nicht, welche davon in der Sonne stattfand. Dazu hätte man ins Innere der Sonne schauen müssen, was nicht möglich war. Bis zu den 1960er Jahren: Da gelang es das erste Mal, Neutrinos zu messen, die aus dem Inneren der Sonne zur Erde gelangt waren. Neutrinos sind Elementarteilchen die ua bei Fusionsreaktionen erzeugt werden. Aber enorm schwer zu messen sind, wie ich in Folge 103 erklärt habe. Als man sie dann in den 1960er und 1970er Jahren doch messen konnte, konnte man auch zwischen den verschiedenen Fusionswegen unterscheiden. Die verschiedenen Arten der Kernfusion produzieren unterschiedliche Neutrinomengen und jetzt wusste man endlich, was in der Sonne abläuft (die Proton-Proton-Reaktion, aber das ist wieder eine andere Geschichte).

Vollständig geklärt ist die Sache immer noch nicht; es gibt noch das eine oder andere offene Detail. Aber im großen und ganzen haben wir ein recht gutes Verständnis davon wie die Sonne ihre Energie produziert. Zu sehen, wie lang dieser Weg war, ist aber dennoch instruktiv. Heute ist es Standardwissen, dass die Kernfusion die Energiequelle der Sonne ist. Aber die längste Zeit über haben wir genau das NICHT gewusst. Noch in den 1960er Jahren konnten wir nicht genau sagen, warum die Sonne leuchtet! Das kann man ruhig im Gedächtnis behalten. Das Wissen das uns heute selbstverständlich erscheint, mussten wir dem Universum meist mühsam entreißen…

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