Kapitel 11: Aus altem Sternenlicht gemacht

Nacht 124: Eine runde blaue Flamme

Am Missionstag 124 war Noors Hauptaufgabe ein Experiment mit Feuer. Feuer gehört zu den Dingen, die die Menschen auf einer Raumstation am meisten fürchten, deshalb fand das Experiment in einem stabilen, versiegelten Kasten mit dicken Fenstern, besonderen Lüftern und vielen Sicherheitsstufen statt. Noor verbrachte die erste Stunde ihres Vormittags mit einer Checkliste. Sie prüfte die Dichtungen, die Kameras, die Gaszufuhr und den Computer, der alles steuern würde. Ade schwebte neben ihr und las jede Zeile laut vor. Noor beantwortete jede Zeile mit einem Wort, „geprüft“, so wie es ein Pilot vor dem Start tut.

Schließlich setzte der Computer einen winzigen Tropfen Brennstoff in die Mitte des Kastens und entzündete ihn. Auf der Erde hat eine Flamme die Form einer Träne. Heiße Luft ist leichter als kühle Luft, deshalb steigt sie auf und zieht die Flamme nach oben zu einer Spitze. In der Schwerelosigkeit steigt heiße Luft nicht auf, weil es kein „Oben“ gibt, zu dem sie aufsteigen könnte. Deshalb war die Flamme auf Noors Bildschirm eine kleine, fast vollkommene Kugel. Sie war weich und blau und leuchtete still in dem dunklen Kasten, wie ein kleiner Planet aus Licht.

Die Feuerkugel hielt nur ein paar Sekunden. Dann war der Brennstoff verbraucht, und das blaue Licht verblasste. Die Kameras hatten alles aufgezeichnet, und Wissenschaftler am Boden würden die Bilder monatelang auswerten. Sie wollen verstehen, wie sich Flammen ohne die aufsteigende Luft verhalten, denn das hilft ihnen, auch das Verbrennen auf der Erde zu verstehen, in Motoren und in Öfen. Noor und Ade wiederholten den Versuch sechsmal, jedes Mal mit kleinen Änderungen, und am Nachmittag waren ihre Augen müde vom Starren auf den Bildschirm.

Am Abend, als die Arbeit getan war, las Noor eine Nachricht von Sami. Er hatte einen kurzen Film von der runden Flamme gesehen, den die Besatzung mit Schulen geteilt hatte. „Wunderschön“, schrieb er. „Ist die Sonne also einfach ein riesiges Feuer wie dieses? Brennt sie da oben?“ Noor lächelte. Es war eine sehr gute Frage, und viele Menschen glauben, die Antwort sei Ja. Die wahre Antwort ist seltsamer und wunderbarer. Sie führt auch zu einer der überraschendsten Tatsachen der ganzen Wissenschaft: Der größte Teil des Stoffes in Noors Körper, in Samis Körper und in deinem Körper entstand im Inneren von Sternen.

Die Geschichte dieser Nacht handelt also davon, wie Sterne funktionieren und was sie herstellen. Sie schließt an die vorige Nacht dieses Buches an, in der die Kräuselungen des frühen Universums zu Galaxien heranwuchsen, zusammengezogen von gewöhnlicher Materie und von der geheimnisvollen Dunklen Materie. Heute Nacht schauen wir in diese Galaxien hinein, auf die Sterne selbst, und wir stellen fest, dass sie nicht nur Lampen sind. Sie sind Werkstätten.

Sterne sind keine Feuer

Ein Feuer, wie die blaue Kugel in Noors Kasten, ist eine chemische Reaktion. Brennstoff verbindet sich mit Sauerstoff aus der Luft, und die Atome ordnen sich zu neuen Molekülen um. Dabei werden Wärme und Licht frei. Aber in einem Feuer verändern sich die Atome selbst nicht. Ein Kohlenstoffatom im Brennstoff ist auch im Rauch noch ein Kohlenstoffatom. Nur die Art, wie die Atome einander an den Händen halten, hat sich geändert.

Wäre die Sonne ein riesiges Feuer dieser Art, wäre sie längst ausgebrannt. Sie hätte nur ein paar tausend Jahre gehalten, nicht Milliarden. Und es gibt noch ein Problem: Ein Feuer braucht Sauerstoff aus der Luft um es herum, und im Weltraum gibt es keine Luft. Die Sonne muss also auf eine andere Weise leuchten. Diese Weise nennt man Kernfusion.

Die Kernfusion findet im Zentrum der Sonne statt, in dem Teil, den man den Kern nennt. Dort drückt das Gewicht der ganzen Sonne nach innen, und die Temperatur beträgt etwa 15 Millionen Grad Celsius. Bei solcher Hitze und solchem Druck bewegen sich die Zentren der Wasserstoffatome, ihre Kerne, so schnell, dass sie zusammenprallen und aneinanderhaften. Schritt für Schritt werden vier Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern. Das neue Helium wiegt ein winziges bisschen weniger als die vier Wasserstoffkerne, aus denen es entstand. Dieses winzige fehlende Stück Materie hat sich in Energie verwandelt, und diese Energie bringt die Sonne zum Leuchten.

Warum braucht es dafür so gewaltige Hitze? Die Kerne der Wasserstoffatome tragen alle dieselbe Art elektrischer Ladung, und Dinge mit gleicher Ladung stoßen einander ab, wie zwei Magnete, die falsch herum gedreht sind. In der kühlen Welt um uns herum kommen sich Wasserstoffkerne nie nah genug, um sich zu verbinden. Nur wenn sie sich äußerst schnell bewegen, in extremer Hitze und unter dem Gewicht eines ganzen Sterns, kommen sich einige von ihnen nah genug, um aneinanderzuhaften. Selbst im Kern der Sonne wartet ein einzelner Wasserstoffkern meist sehr lange, bevor er sich mit einem anderen verbindet. Die Sonne leuchtet gleichmäßig, weil sie so viele Kerne enthält, dass es in jeder Sekunde einer riesigen Zahl von ihnen gelingt.

Hier ist der Unterschied in einem Satz. In einem Feuer tauschen Atome ihre Partner. Bei der Kernfusion verbinden sich die Zentren von Atomen und werden zu einem anderen Element. Die Kernfusion verwandelt Wasserstoff in Helium. Sie ordnet die Dinge nicht nur um, sie macht etwas Neues. Deshalb ist sie so mächtig. In jeder Sekunde verwandelt die Sonne etwa vier Millionen Tonnen ihrer Materie in Energie, und das tut sie seit etwa 4,6 Milliarden Jahren. Trotzdem hat sie erst einen kleinen Teil ihres Wasserstoffs verbraucht, denn die Sonne ist riesig.

Vielleicht hilft es, an eine Bäckerei zu denken, die die ganze Nacht arbeitet. Im heißen Ofen in der Mitte wird aus einfachem Teig Brot. Im Kern eines Sterns wird aus dem einfachsten Element, Wasserstoff, das nächste, Helium. Das Licht, das aus dem Stern kommt, ist wie die Wärme, die aus der Tür der Bäckerei strömt. Wir spüren die Wärme, aber die eigentliche Arbeit geschieht tief drinnen, wo wir sie nicht sehen können.

Die Menschen, die herausfanden, wie Sterne leuchten

Lange war die Energie der Sonne ein Rätsel. Im 19. Jahrhundert versuchten Wissenschaftler, sie mit Verbrennung zu erklären oder damit, dass die Sonne langsam schrumpft und sich dabei erhitzt. Keine dieser Ideen konnte der Sonne ein ausreichend langes Leben geben. Die Gesteine der Erde und die langsame Arbeit der Lebewesen schienen weit mehr Zeit zu brauchen, als die Sonne nach irgendeinem bekannten Vorgang hätte durchhalten können. Die Menschen, die Gesteine erforschten, und die Menschen, die den Himmel erforschten, gaben verschiedene Antworten, und niemand konnte sie in Einklang bringen.

Die Antwort kam aus einem neuen Zweig der Wissenschaft, der den Atomkern erforschte, das winzige Zentrum eines Atoms. In den 1920er- und 1930er-Jahren erfuhren Wissenschaftler, dass sich Kerne verbinden und dabei Energie freisetzen können. 1939 arbeitete ein Wissenschaftler namens Hans Bethe Schritt für Schritt aus, welche Reaktionen im Kern eines Sterns wie der Sonne ablaufen können. Er zeigte, dass die Fusion von Wasserstoff zu Helium die Sonne Milliarden Jahre lang leuchten lassen kann. Das alte Rätsel wurde durch sorgfältige Berechnung gelöst, am Schreibtisch mit Papier und Bleistift.

Erinnere dich an Cecilia Payne aus einer früheren Nacht. 1925 fand sie heraus, dass die Sterne vor allem aus Wasserstoff und Helium bestehen. Ihre Entdeckung und Bethes Berechnung passen zusammen wie zwei Hälften eines Tellers. Die Sterne bestehen vor allem aus Wasserstoff, und der Wasserstoff ist ihr Brennstoff. Das Helium ist zum Teil das, was in den ersten Minuten des Universums entstand, und zum Teil das, was die Sterne seitdem erzeugt haben.

Die nächste Frage war noch größer. Wenn Sterne Helium herstellen können, können sie dann auch andere Elemente herstellen? 1957 schrieben vier Wissenschaftler, Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler und Fred Hoyle, eine lange Abhandlung, die beschrieb, wie Sterne fast alle Elemente nacheinander in verschiedenen Abschnitten ihres Lebens aufbauen können. Fred Hoyle ist derselbe Mensch, der dem Urknall Jahre zuvor in einer Radiosendung seinen Namen gegeben hatte, obwohl er mit dieser Idee nicht übereinstimmte. In dieser Frage half seine Arbeit zu zeigen, woher die meisten Elemente kommen. Andere Wissenschaftler arbeiteten zur selben Zeit in ähnliche Richtungen, und in den folgenden Jahrzehnten bestätigten viele Beobachtungen das Gesamtbild.

Bedenke, wie dieses Wissen aufgebaut wurde. Niemand hat je das Zentrum eines Sterns besucht. Alles wurde aus dem Licht gelernt, aus Experimenten mit Atomkernen in Laboren auf der Erde und aus Berechnungen. Wie so viele Entdeckungen in diesem Buch war es die Arbeit von Menschen an ihren Schreibtischen und in ihren Laboren, die die Zahlen der anderen überprüften, manchmal viele Jahre lang.

Wie ein großer Stern endet

Ein Stern wie die Sonne verbringt den größten Teil seines Lebens damit, Wasserstoff in Helium zu verwandeln. Wenn der Wasserstoff in seinem Kern zur Neige geht, verändert sich der Stern. Seine äußeren Schichten blähen sich auf, und er wird zu einem großen, kühleren, rötlichen Stern, den man Roten Riesen nennt. In seinem Kern beginnen nun Heliumkerne, sich zu verbinden, und es entstehen Kohlenstoff und Sauerstoff. Am Ende stößt ein Stern wie die Sonne seine äußeren Schichten sanft in den Raum ab, wie eine leuchtende Hülle aus Gas. Was übrig bleibt, ist ein kleiner, heißer, sehr dichter Kern, den man Weißen Zwerg nennt und der sehr lange langsam abkühlt.

Sterne, die viel schwerer sind als die Sonne, leben schneller und enden dramatischer. Ihr großes Gewicht macht ihre Kerne heißer, deshalb können sie weiter gehen. Nach Kohlenstoff und Sauerstoff erzeugen sie Neon, Magnesium, Silizium und schließlich Eisen. Der Stern wird schichtweise aufgebaut, ein wenig wie eine Zwiebel, mit schwereren Elementen näher am Zentrum. Aber Eisen ist das Ende dieses Weges. Das Verbinden von Eisenkernen gibt keine Energie ab, es verbraucht Energie. Wenn sich also der Kern eines großen Sterns mit Eisen füllt, hat sein Ofen nichts mehr herzugeben.

Wie schnell ein Stern lebt, hängt von seinem Gewicht ab. Ein Stern wie die Sonne hat eine Gesamtlebensdauer von etwa 10 Milliarden Jahren, sie ist also jetzt ungefähr in der Mitte ihres Arbeitslebens. Die schwersten Sterne verbrauchen ihren Brennstoff in nur ein paar Millionen Jahren, und das ist für einen Stern eine sehr kurze Zeit. Es ist ein wenig wie bei zwei Arbeitern mit verschiedenen Berufen: Der eine arbeitet ein ganzes langes Berufsleben in gleichmäßigem Tempo, während der andere in rasendem Tempo arbeitet und sehr früh fertig ist. Beide hinterlassen etwas, aber der schnelle Arbeiter hinterlässt die dramatischsten Ergebnisse.

Ohne die Energie, die nach außen drückt, stürzt der Kern in einem Augenblick unter seinem eigenen Gewicht zusammen. Die äußeren Schichten fallen hinein, prallen zurück und werden in einer gewaltigen Explosion, einer Supernova, in den Raum geschleudert. Einige Wochen lang kann eine einzige Supernova so hell leuchten wie eine ganze Galaxie von Sternen. Die Explosion verstreut den Kohlenstoff, den Sauerstoff, das Silizium, das Eisen und viele andere Elemente, die der Stern in seinem Leben erzeugt hat. In der gewaltigen Hitze der Explosion selbst entstehen außerdem neue Elemente. Was im Zentrum übrig bleibt, kann ein Neutronenstern sein, eine Kugel aus Materie, so dicht, dass ein Löffel davon so viel wiegen würde wie ein Berg, oder in den schwersten Fällen ein Schwarzes Loch.

Manche der schwersten Elemente, etwa Gold, brauchen ganz besondere Bedingungen. Viele Jahre lang hielten Wissenschaftler den Zusammenstoß zweier Neutronensterne für einen möglichen Ort. 2017 beobachteten Astronomen genau einen solchen Zusammenstoß. Instrumente, die winzige Kräuselungen im Raum selbst spüren können, fingen das Signal zweier Neutronensterne auf, die spiralförmig aufeinander zuliefen, und Teleskope überall auf der Welt sahen dann das Licht des Ereignisses. In diesem Licht fanden sie Anzeichen frisch entstandener schwerer Elemente, darunter Elemente wie Gold. Heute glauben Wissenschaftler, dass schwere Elemente aus mehreren Arten von Ereignissen stammen, und sie arbeiten noch daran herauszufinden, wie viel jede Art beiträgt.

Die verstreuten Elemente bleiben nicht verloren. Sie mischen sich in die Wolken aus Gas und Staub zwischen den Sternen. Später fallen diese Wolken zu neuen Sternen und neuen Planeten zusammen. Jede neue Sterngeneration wird mit etwas mehr schwereren Elementen geboren als die vorige. Eine Galaxie ist wie eine große, langsame Küche, in der immer wieder dieselben Töpfe benutzt werden, und jede Mahlzeit hinterlässt für die nächste ein wenig mehr Geschmack.

Die Atome in deinem Körper

Kommen wir nun zu uns selbst zurück. Dein Körper besteht aus vielen Elementen. Dem Gewicht nach ist der größte Teil Sauerstoff, das meiste davon im Wasser in dir. In jeder lebenden Zelle gibt es Kohlenstoff. In den Eiweißen deiner Muskeln gibt es Stickstoff. In deinen Knochen und Zähnen gibt es Kalzium. In deinem Blut gibt es Eisen, das Sauerstoff von deiner Lunge in jeden Teil deines Körpers trägt.

Fast keines dieser Elemente existierte in den ersten Minuten des Universums. Wie wir in einer früheren Nacht gesehen haben, erzeugten diese Minuten vor allem Wasserstoff und Helium und eine winzige Menge Lithium. Der Kohlenstoff, der Stickstoff und der Sauerstoff in deinem Körper entstanden später, im Inneren von Sternen. Auch das Kalzium und das Eisen stammen von Sternen, vieles davon von Sternen, die explodierten, lange bevor die Sonne geboren wurde. In einem sehr wirklichen Sinn bist du aus den Resten von Sternen gebaut, die lebten und starben, bevor es unser Sonnensystem gab.

Es gibt eine wichtige Ausnahme. Der Wasserstoff in deinem Körper, in dem Wasser, das du trinkst, und in dem Essen, das du isst, entstand nicht in Sternen. Wasserstoff ist das einfachste Element, und fast aller Wasserstoff stammt aus den ersten Minuten des Universums. Der Zahl der Atome nach ist Wasserstoff das häufigste Element in deinem Körper. Du trägst also beide Arten von Geschichte in dir: das sehr frühe Universum in deinem Wasserstoff und die lange Arbeit vieler Sterne in fast allem anderen.

Das gilt auch für alles um Noor herum auf der Station. Das Aluminium der Wände, der Sauerstoff in den Lufttanks, das Silizium in den Computerchips und der Kohlenstoff in ihrem Essen stammen alle von Sternen. Das Metall des Kastens, in dem die blaue Flamme brannte, entstand Atom für Atom vor Milliarden Jahren in den Werkstätten der Sterne. Sogar das Licht dieser blauen Flamme kam von Atomen, die einst im Inneren eines Sterns waren.

Es ist nicht leicht, das mit ganzem Herzen zu fühlen. Eine Tasse Tee sieht nicht aus wie die Überreste uralter Sterne. Aber wenn du das nächste Mal etwas Schweres in der Hand hältst, ein Werkzeug bei der Arbeit, eine Pfanne in der Küche, einen Stein von einem Weg, erinnerst du dich vielleicht daran, dass seine Atome älter sind als die Erde. Sie sind durch den Weltraum gereist, durch Wolken und durch neue Sterne, bevor sie in deiner Hand zur Ruhe kamen.

Eine Nachricht an Sami

Am Ende des Tages schwebte Noor in ihre Schlafkabine und zog den Reißverschluss ihres Schlafsacks bis zur Brust hoch. Sie dachte an die runde blaue Flamme und an die Sonne, die an diesem Tag sechzehnmal für die Station auf- und untergegangen war. Sie öffnete das kleine Tablet und schrieb an Sami.

„Nein, die Sonne ist kein Feuer“, schrieb sie. „Sie ist eine Art Ofen, in dem Wasserstoff zu Helium wird. Große Sterne stellen auch andere Dinge her: Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen. Wenn sie sterben, schleudern sie alles in den Raum, und daraus entstehen neue Sterne und Planeten. Das Eisen in deinem Blut entstand in einem Stern. Wenn du also heute Nacht müde bist, denk daran, dass du aus sehr altem und sehr widerstandsfähigem Material bestehst.“

Gegen drei Uhr morgens hielt Sami auf einer ruhigen Straße tief unten für seine Pause an. Er las die Nachricht zweimal, aß ein Brot und blickte durch die Windschutzscheibe zu ein paar hellen Sternen zwischen den Wolken hinauf. Er schrieb zurück: „Sehr widerstandsfähiges Material. Das sage ich meinem Rücken, wenn ich die letzten Kisten hebe.“

Vielleicht beendest auch du gerade einen langen Tag. Deine Hände sind vielleicht müde, dein Rücken schmerzt vielleicht, und der morgige Tag wartet vielleicht schon. Aber das Material, aus dem du bestehst, ist durch das Herz von Sternen gegangen. Heute Nacht braucht es nur eine gute Ruhe.

Verbreitete Missverständnisse

Viele Menschen glauben, jedes Atom in ihrem Körper sei im Inneren eines Sterns entstanden. Das ist ein schöner Gedanke, und er stimmt größtenteils, aber nicht ganz. Die meisten Elemente in deinem Körper, etwa Kohlenstoff, Sauerstoff, Kalzium und Eisen, entstanden tatsächlich in Sternen. Aber Wasserstoff, der Teil jedes Wassermoleküls und vieler Moleküle in deinen Zellen ist, entstand in den ersten Minuten des Universums. Genauer ist es also zu sagen, dass du aus Material vom Anfang des Universums und aus den Sternen zusammen bestehst.

Viele Menschen glauben auch, die Sonne und die Sterne brennten wie ein Feuer. Das liegt nahe, weil sie heiß und hell sind und das Wort „brennen“ in der Alltagssprache oft für sie verwendet wird. Aber ein Feuer ist eine chemische Reaktion, die Sauerstoff braucht und nur verändert, wie Atome miteinander verbunden sind. Die Sonne leuchtet durch Kernfusion: Die Zentren von Wasserstoffatomen verbinden sich und werden zu Helium, und ein wenig Materie verwandelt sich in sehr viel Energie. Deshalb kann die Sonne Milliarden Jahre lang leuchten, und deshalb braucht sie keine Luft.

Und schließlich glauben manche Menschen, Gold und andere schwere Elemente seien zusammen mit allem anderen beim Urknall entstanden. Tatsächlich erzeugten die ersten Minuten des Universums nur die leichtesten Elemente: Wasserstoff, Helium und ein wenig Lithium. Das Universum kühlte zu schnell ab, um etwas Schwereres aufzubauen. Gold und die anderen schweren Elemente entstanden viel später, bei extremen Ereignissen wie dem Zusammenstoß von Neutronensternen und wahrscheinlich bei manchen explodierenden Sternen. Das Gold in einem Ring ist also viel jünger als der Wasserstoff in einem Glas Wasser. In der nächsten Nacht folgen wir einigen dieser verstreuten Elemente, wie sie sich zu einem neuen Stern und seinen Planeten sammeln: zur Sonne und zur Erde.