Ein Stern verläßt die Hauptreihe mit Beendigugng der Wasserstoffusion in seinem Kern. Dies ist abhängig von der Masse des Sterns, denn je größer die Masse ist, desto eher hört die Wasserstoffusion im Kern auf, weil der anfängliche Energievorrat aufgebraucht ist. Durch die Gravitation wird der Wasserstoff der Hülle nun zum Sterninneren gezogen und drückt so gegen den Heliumkern, der verdichtet wird (bei Dichten von über 1 Mill. g/cm3 entartet das Elektronengas) und sich aufheizt. Aufgrund dieser Aufheizung expandiert das Hüllengas und die Effektivtemperatur des Sterns fällt, was eine Farbänderung des Sterns nach rot zur Folge hat, während sich die Energiegewinnung durch Wasserstoffusion in eine konzentrische Kugelschalen um den Heliumkern verlagert. Jede ablaufende Energieumwandlung wird als Schalenquelle bezeichnet, wenn sie in einer Schale um einen Kern abläuft. Währendessen setzt bei massereichen Sternen (hier 7 Sonnenmassen) bei Temperaturen über 200 Mill. K ein neuer Kernprozess ein, der Drei-Alpha-Prozeß oder auch Heliumbrennen, der sich später in einer Schale um den entstehenden Kern aus Kohlenstoff und Sauerstoff, den Endprodukten des Heliumbrennens, fortsetzt. Im Hertzsprung-Russell-Diagramm bewegen sich die massereicheren Sterne nach rechts, da eine Abnahme der Effektivtemperatur im Vergleich zur Leuchtkraft erfolgt. Bei massearmen Sternen (hier 1,3 Sonnenmassen) muß erst die Entartung der Heliumkerne aufgehoben werden, damit der Prozeß einsetzen kann. Ist die Masse des Heliumkerns, der durch die Schalenquelle diese beständig vergrößert, auf 0,45 Sonnenmassen angewachsen, erreicht die Temperatur des Kerngases die Grenze für das Einsetzen des Heliumbrennens. Wegen der Entartung des Elektronengases kommt es zu einem Flash. Dabei sind die Selbstregulierungsmechanismen des Gases außer Kraft gesetzt und die Temperaturen und somit die Energieproduktion steigen beständig an. Durch die Überproduktion an Energie und die auftretende enorme Strahlungsleistung wird die Entartung der Heliumkerne aufgehoben und der Selbstregulierungsprozeß des Gases setzt wieder ein, was eine Expansion der Hülle zur Folge hat. Bei massearmen Sternen bleibt die Effektivtemperatur relativ konstant, darum bewegen sich diese im Diagramm nach oben und erreichen vor dem Flash ihren höchsten Punkt im Hertzsprung-Russell-Diagramm, im Gebiet der Roten Riesen auf dem Riesenast. |
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Nach einer gewissen Zeit geht auch das Helium im Kern zur Neige, der
jetzt aus den Elementen Kohlenstoff und Sauerstoff besteht. Es kommt wieder
zu einer Kernkontraktion und einen Aufblähen der Hülle des Sterns.
Wieder steigt die Temperatur im Kerngebiet und an der Kernoberfläche
solange an, bis das Heliumbrennen in einer Schale um den Kern zündet.
Der Riese besitzt nun also zwei ineinandergeschachtelte Schalen aus denen
er seinen Energiebedarf deckt. Im Hertzsprung-Russell-Diagramm
wandert der Riese wieder nach rechts, da durch das Aufblähen der Hülle
die Effektivtemperatur fällt. Wegen der veränderten chemischen
Zusammensetzung verfolgt der zweite Aufstieg im Hertzsprung-Russell-Diagramm,
der wieder durch die Erhöhung der Leuchtkraft hervorgerufen wird,
nicht genau den selben Weg wie der erste, sondern nahezu parallel zum Riesenast
und lehnt sich nach oben an ihn an. Diese Phase der Entwicklung wird als
asymptotischer Riesenast (abgekürzt AGB, von "asymptotic giant branch").
Sterne in dieser Entwicklungsphase häufig als AGB-Sterne oder, wegen
ihres Aufbaus, auch als Doppelschalensterne bezeichnet.
Der Aufstieg führt außerdem viel weiter
nach rechts als der erste bis zu dem Spektralklassen M7, M8 oder sogar
noch weiter nach rechts. An der Spitze des asymptotischen Riesenasts werden
sie instabil, pulsieren und erscheinen uns als Mirasterne.
Die AGB-Phase ist aber bis heute noch nicht vollständig verstanden
und hängt sehr davon ab wie effektiv die Konvetion neuen Brennstoff
in die Schale und Energie nach außen schafft. Für die Astrophysiker
ist es bislang ein großes Problem die Konvektion, ohne den Durchmesser
der Konvektionszellen, den man bislang nicht vorhersagen kann, zu berechnen.
Auch das Schalenbrennen bei Doppelschalensternen
ist sehr komplex, da die beiden Schalen nicht gleichzeitig sondern abwechselnd
brennen. Am Anfang der AGB-Phase brennt das Helium in einer tiefliegenden
Schale. Durch die Aufblähung des Sterns sinkt die Temperatur in der
Wasserstoffusionsschale und das Wasserstoffbrennen erlischt.
Das Heliumbrennen dauert nun solange an, bis
die Heliumschicht aufgebraucht ist. Die Energieproduktion geht zurück.
Nun kontrahiert wieder der Kern, die Temperatur an der Grenze zwischen
Kern und wasserstoffreicher Hülle steigt und die Wasserstoffusion
setzt wieder ein. Dadurch kommt es wieder
zu einem Anwachsen der Heliumschicht, da durch die Wasserstoffusion neues
Helium gebildet, aber nicht verbraucht wird. Der heliumhaltige Teil des
Sterns kontrahiert nun langsam, wird dichter und heißer bis das Heliumbrennen
explosionsartig an der Unterseite der Heliumschale einsetzt. Dieser Vorgang
wird als thermischer Puls bezeichnet und ereignet sich etwa alle 10.000
bis100.000 Jahre. Wie oft dies passiert hängt von der Masse des Sterns
und seiner chemischen Zusammensetzung ab, beläuft sich aber auf rund
ein Dutzend Male.
Für Kerne eines Sterns, die die Masse von
1,4 Sonnenmassen niht überschreiten, verläuft die weitere Entwicklung
ruhig. Durch den Druck der äußeren Schichten auf den Kern, entartet
das Elektronengas in diesem. Durch die Entartung des Gases wird die Kontraktion
zum endgültigen Stillstand gebracht. Die entgültige Masse des
Sterns hängt von seiner Ausgangsmasse und den Masseverlust im Laufe
seiner Entwicklung ab.
Die Masse die ein Stern am Ende seiner Entwicklung endgültig hat,
hängt von seiner Ausgangsmasse und den Masseverlusten, die er im Laufe
seiner Entwicklung z.B. in Form von Strahlungsenergie oder Abwerfen der
Hülle erleidet, ab. Modellrechnungen zeigen, daß die Grenze
von 1,4 Sonnenmassen (Chandrasekhar-Grenze) für einen Hauptreihenstern
von acht Sonnenmassen gerade noch nicht überschritten wird. Am Ende
der AGB-Phase kommt es bei Sternen zur Ausbildung eines Planetarischen
Nebels. Wie dies geschieht ist bis heute umstritten und es gibt
verschiedene Theorien. Eine Theorie besagt, das die Hülle durch den
letzten thermischen Puls, der sehr heftig ist und an der Sternoberfläche
stattfindet, in den Raum geschleudert wird und aufleuchtet wenn der Stern
oder nunmehr der zurückbleibende Kern den nötigen UV-Fluß
erzeugt. Eine andere Theorie geht davon aus, daß die schnellen Sternenwinde
die langsamen Winde einholen, diese zusammenschieben und diese durch die
Aufheizung aufleuchten.
Der Stern beendet seine Entwicklung als Weißer Zwerg. |
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