Arnold Benz - Das geschenkte Universum

Das Szenario der Stern- und Planetenentstehung aus Molekülwolken wird heute unter Fachleuten allgemein akzeptiert. Wie dies im Detail vor sich geht, hat jedoch noch keineswegs den Status einer guten Theorie, denn es gibt noch viele Lücken. Der Grund liegt in der Komplexität der Vorgänge, von der das Folgende einen Geschmack geben soll.

Abbildung 4: Aus der dunklen Molekülwolke in der linken unteren Ecke schießt ein Jet mit dreihundert Kilometern pro Sekunde nach rechts oben. Er hinterlässt eine helle Spur von geschocktem Gas und trifft schließlich auf das ruhende interstellare Gas außerhalb der Wolke. Dort, nach 5 Billionen Kilometern, verursacht er eine Bugwelle, die unter dem Namen HH-47 bekannt ist. Der Jet transportiert Drall von der Akkretionsscheibe ins interstellare Gas (Foto: J. Morse, HST, WFPC2, NASA).

Die Antwort auf das Problem von Laplace ist äußerst vielfältig, selbst ohne auf die Details der einzelnen Prozesse einzugehen. Eine große Zahl verschiedener Vorgänge muss ineinandergreifen, damit ein simpler Stern entsteht. Die Komplexität hat ihren Ursprung in dieser Vielzahl und führt zu einer Myriade von möglichen Endprodukten. Die Tradition der Sphärenklänge eines Pythagoras oder Keplers elegante Planetenbahnen verleiten manchmal dazu, sich ein überschaubares, harmonisches Universum vorzustellen. Aber die Wirklichkeit ist viel spannender, wenn auch letztlich unergründlich.

Die Physiker und Naturphilosophen des 18. Jahrhunderts konnten nicht wissen, dass rotierende Scheiben von Ausflüssen entlang der Rotationsachse begleitet sind. Im visuellen Licht, in dem die Ausflüsse stark gebündelt erscheinen, nennt man diese Materieströme Jets. Ihre Geschwindigkeit beträgt 100 Kilometer pro Sekunde und mehr. Jets erreichen eine Distanz von mehreren Lichtjahren, schießen also über die Dimension des ursprünglichen Wolkenkerns hinaus. Wo sie auf das ruhende Gas aufprallen, schieben sie wie ein Schiff eine Bugwelle vor sich her. Sie leuchtet hell auf und ist leicht erkennbar. Jets reißen einen Teil der kollabierenden Hülle mit. Dieser Strom bildet einen gemächlichen, aber massereichen Ausfluss von Gas und Staub. Mindestens ein Zehntel des Gases, das auf den jungen Stern einstürzt, geht in diesen Ausflüssen wieder verloren.

Schon länger ist der Verdacht aufgekommen, dass die Jets neben der Masse auch Drehimpuls fortführen. Das Weltraumteleskop Hubble hat 2004 die Drehbewegung der Jets bestätigt.11 Somit bietet sich eine Lösung an für das Rätsel von Laplace, wie die Rotation einer akkretierenden Scheibe gebremst wird. Der Drehimpuls des Jets kann nur vom Drall der Scheibe stammen. Geht der Scheibe Drehimpuls verloren, muss sie sich zusammenziehen. Dabei fließt im innersten Teil Gas von der Scheibe auf den Protostern ab. Die Scheibe ist nicht stationär; dank der Ausflüsse geht die Akkretion weiter. Die Scheibe schrumpft und entleert sich langsam, und der Stern legt an Masse zu.

Wir haben uns allerdings nun die Frage nach der Beschleunigung von Jets eingehandelt. Es ist in der Tat fast unvorstellbar, wie Staubkörner und Moleküle auf die hundertfache Geschwindigkeit einer Gewehrkugel beschleunigt werden. Am ehesten kommen Vorgänge wie in der Sonnenkorona in Betracht, wo magnetische Kräfte Teilchen beschleunigen. Hier taucht das Problem auf, dass die magnetische Kraft nur auf Teilchen mit elektrischer Ladung wirken kann. Enthält das Gas im Beschleunigungsgebiet der Jets etwa elektrisch geladene, sogenannte ionisierte Atome oder Moleküle? Es muss so sein. Als Verursacher stehen kosmische Teilchen im Verdacht, vor allem Protonen, die an Schockwellen von Supernova-Auswürfen weit entfernter Sterne auf enorme Geschwindigkeiten, nahe jener des Lichts, beschleunigt wurden. Sie durchdringen selbst die dichtesten Gebiete von Molekülwolken, stoßen mit Molekülen zusammen und ionisieren sie. So tragen alte, ausgebrannte Sterne bei ihrem Zerfall, der, wie wir später sehen werden, mit einer Supernova-Explosion endet, wesentlich zum Entstehen von neuen Sternen bei.

Mit dem Magnetfeld türmt sich die Komplexität. Viele Astronomen möchten es daher am liebsten weglassen. Die Erklärung, wie ionisierte Moleküle mittels magnetischer Kraft zu einem Jet beschleunigt werden, möchte ich den Leserinnen und Lesern ersparen. Die Details sind, falls überhaupt beobachtet, noch nicht erklärt. Vielmehr möchte ich eine zweite Möglichkeit erwähnen, wie ein junger Stern Drehimpuls aus seiner Akkretionsscheibe verlieren kann: Die Scheibe rotiert innen schneller als außen, wie bekanntlich auch die inneren Planeten schneller kreisen als die äußeren. Man denke sich nun die Scheibe in Ringe aufgeteilt, deren Nachbarn sich aneinanderreiben. Schnell rotierende innere Ringe geben Drall an äußere ab, die ihn wiederum an die nächst äußeren Nachbarn weitergeben. Reibung verlangsamt den schnelleren Ring im Innern der Scheibe. Drehimpuls wird durch die Scheibe nach außen befördert. Auch hier sind Magnetfelder von Bedeutung. Sie koppeln einen Scheibenring an seinen Nachbarn, wodurch Reibung entsteht. Wir können der Komplexität nicht ausweichen.

Wahrscheinlich wirken beide Mechanismen der Drehimpulsabgabe. Der Jet übernimmt einen Teil des Dralls im inneren Teil der Scheibe, die Reibung im äußeren Teil. Der sich im Zentrum bildende Protostern erhält den Großteil der Materie, der größte Teil vom Drehimpuls des kollabierenden Wolkenkerns wird jedoch wieder in die Molekülwolke zurückgeschleudert. Auf diese Weise kann sich der Stern als Insel mit kleinem Drehimpuls im stürmischen Durcheinander der Molekülwolke bilden.

Indem sie Drall in die Molekülwolke zurückgeben, tragen selbst kleinere Sterne wie die Sonne zur Turbulenz in der Wolke bei. Wie wir gesehen haben, verhindern die chaotischen Wolkenbewegungen das vorschnelle Entstehen übergroßer Sterne. Die Sternentstehung reguliert sich selbst. Mit der Energie, die Sterne freisetzen, ihren Winden, Strahlen und Explosionswellen, zerstören sie schließlich die fragile Wolke, aus der sie entstanden.

Sterne bilden sich auf Skalen von Lichtjahren und werden durch Prozesse im Bereich von Atomen und Molekülen beeinflusst. Es überrascht nicht, dass es da noch viele Wissenslücken gibt. Entgegen den Zeitgenossen von Laplace vermuten wir heute nicht mehr, in diesen Lücken Spuren von Gott zu finden. Sie sind vielmehr ein praktisch unerschöpfliches Arbeitsreservoir zukünftiger Generationen von Astronomen.

Exoplaneten – so werden Planeten genannt, die um fremde Sterne kreisen – sind ein weiteres Beispiel, wie eine Entdeckung zu neuen Fragen führt. Es könnte den Naturwissenschaftlern wie Herkules mit der Hydra ergehen, der für jeden abgeschlagenen Kopf zwei neue Köpfe nachwuchsen. Die Planetenentstehung ist zwar kaum unendlich komplex im mathematischen Sinne. Eine vollständige Theorie scheint jedoch in weiter Ferne zu liegen. Einige Teilprozesse der Stern- und Planetenentstehung werden gut verstanden und bestätigen sich in neuen Messungen immer klarer, andere tun es nicht.

Bevor 1995 erstmals Exoplaneten entdeckt wurden,12 konnte niemand voraussagen, dass damit alle früheren Modelle der Planetenentstehung hinfällig würden. Die neu entdeckten Planeten, inzwischen sind es Hunderte und wöchentlich kommen neue hinzu, sind riesige Gaskugeln von der Art des Jupiters, hundert bis tausendmal massiver als die Erde. Sie kreisen jedoch, anders als Jupiter, sehr nahe um den Zentralstern, wo nach den früheren Modellen für das Planetensystem der Sonne kein Großplanet entstehen kann, nur allenfalls ein Zwerg wie Merkur von der Größe unseres Mondes. Sind diese Riesen dort entstanden oder gelangten sie im Laufe einer Entwicklung an ihren jetzigen Ort? Leider kann die gängige Beobachtungsmethode nur genau diese Art von sternnahen Riesen entdecken. Sowohl Planeten mit der Masse der Erde wie auch Planeten mit größerem Abstand wie Jupiter liegen an der Grenze des Beobachtbaren und sind praktisch noch unerforscht.