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Was von Sternen übrig bleibt

Was sind Weiße Zwerge und wie entstehen sie?

Wenn Sterne wie unsere Sonne oder Rote Zwerge wie unser Nachbar Proxima Centauri das Ende ihres Lebenszyklus erreicht haben, werden sie zum Weißen Zwerg – einem dichten, kleinen Sternenrest. Sie teilen damit das Schicksal der großen Mehrheit aller Sterne in unserer Galaxie und anderswo. Doch wie wird ein Stern zum Weißen Zwerg? Und was zeichnet ihn aus?

Sternenentwicklung
Lebenszyklus eines sonnenähnlichen Sterns. © aswara.awad/ CC-by-sa 3.0

Vom Stern zum Weißen Zwerg

In gut sieben Milliarden Jahren wird unsere Sonne einen Großteil ihres Brennstoffs aus Wasserstoff und Helium verbraucht haben – ihre Kernfusion lässt nach. Nachdem sie sich schon zuvor zum Roten Riesen aufgebläht hat, kann nun der aus ihrem Inneren nach außen wirkende Strahlungsdruck ihrer eigenen Schwerkraft nicht mehr standhalten – der Todeskampf unseres Sterns beginnt.

In einer Art „Alterszittern“ schleudert die Sonne nun in wiederholten Eruptionen Teile ihrer Hülle ins All hinaus. Sie verliert dadurch rund die Hälfte ihrer Masse. Parallel dazu verdichtet sich auch der Kern unseres sterbenden Sterns: Weil der Gegendruck durch die Kernfusion fehlt, wird das Kernmaterial stark komprimiert. Ist dieser Prozess abgeschlossen, ist die Sonne zu einem Weißen Zwerg geworden – einem Sternenrest, der fast nur noch aus stark verdichtetem Kernmaterial besteht.

Klein, aber extrem schwer

Wie unsere Sonne als Weißer Zwerg aussehen könnte, lässt sich an einem nur rund 8,5 Lichtjahre entfernten Exemplar dieser Sternenreste beobachten: Sirius B, dem Begleiter des hellsten Sterns am Nachthimmel. Dieser uns am nächsten liegende Weiße Zwerg ist etwa so groß wie die Erde, hat aber fast die Masse der Sonne – rund 0,98 Sonnenmassen. Seine Materie ist demnach so komprimiert, dass nur ein Teelöffel davon fünf Tonnen wiegen würde.

Sirius B
Der Weiße Zwerg Sirius B (Pfeil) in einer Aufnahme des Weltraumteleskop Hubble.© NASA/ESA, H. Bond (STScI), M. Barstow/ University of Leicester

Sirius B ist damit ein relativ typischer Vertreter seiner Zunft. Denn Weiße Zwerge sind zwischen 0,5 und knapp 1,4 Sonnenmassen schwer und haben den einfachen bis doppelten Durchmesser der Erde. Als Folge der hohen Dichte herrscht auf der Oberfläche von Sirius B eine rund 375.000-fach höhere Schwerkraft als auf der Erde. Ein Mensch von rund 80 Kilogramm Gewicht würde auf diesem Sternenrest rund 30 Millionen Kilogramm wiegen.

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Die Gravitation von Sirius B ist so hoch, dass selbst sein Licht einiges an Energie verliert, wenn es aus dieser Schwerkraftsenke herausstrahlt – im Lichtspektrum macht sich dies als gravitative Rotverschiebung der Wellenlängen um rund 0,1 Nanometer bemerkbar.

Größenparadox und entartete Materie

Das Merkwürdige jedoch: Während „normale“ Himmelskörper umso massereicher werden, je größer sie sind, ist dies bei Weißen Zwergen genau umgekehrt. So haben Astronomen im Jahr 2021 in rund 150 Lichtjahren Entfernung einen Weißen Zwerg entdeckt, der mit 1,35 Sonnenmassen nahe der Obergrenze des für diese Sternenreste Möglichen liegt. Gleichzeitig aber hat der Weiße Zwerg ZTF J1901+1458 nur einen Radius von 2.140 Kilometern und ist damit der bislang kleinste seiner Art – er ist kaum größer als der Erdmond.

Wie aber ist dieses Paradox zu erklären? Dahinter steht ein fundamentaler Wandel, den die Materie im Inneren des Weißen Zwergs durchmacht – sie entartet. Normalerweise schreibt das sogenannte Pauli-Prinzip vor, dass fermionische Teilchen wie Elektronen und Quarks nie zur gleichen Zeit am gleichen Ort sein können. Jedes dieser Teilchen beansprucht einen gewissen Freiraum um sich herum. Da alle Materie aus diesen Teilchen besteht, kann sie nur bis zu einem gewissen Grad komprimiert werden – eigentlich.

Doch wenn der Druck zu groß wird, geben die Elektronen nach und rücken enger aneinander und an den Atomkern. Dadurch kann ein Weißer Zwerg mit wachsender Masse schrumpfen. Gleichzeitig jedoch steigt der Widerstand der Elektronen gegen diesen Entartungsdruck und erzeugt eine Kraft, die der Gravitation entgegenwirkt. Die Entartung der Materie im Inneren des Weißen Zwergs wirkt so seinem Kollaps entgegen.

Wie viele Weiße Zwerge gibt es?

So exotisch dies anmuten mag – im Kosmos sind Weiße Zwerge keine Seltenheit. Im Gegenteil: Astronomen schätzen, dass es allein im nahen Umkreis von 65 Lichtjahren um die Sonne mindestens 129 solche Sternenreste gibt. Insgesamt könnten zehn Prozent aller Sterne in der Milchstraße bereits zum Weißen Zwerg geworden sein. Und auf lange Sicht wird der größte Teil aller Sterne im Universum zu diesen kleinen, aber hellen Relikten werden.

Wann dies der Fall ist, hängt allerdings vom Sternentyp ab: Sonnenähnliche Sterne wie unser Heimatstern erreichen das Stadium des Weißen Zwergs im Schnitt nach elf bis 13 Milliarden Jahren. Die noch masseärmeren Roten Zwerge werden gängiger Theorie nach auch als Weißer Zwerg enden. Weil ihre Lebensdauer aber bei mehreren Milliarden bis Billionen von Jahren liegen kann, haben Astronomen bisher kein Exemplar eines solchen „toten“ Roten Zwergs entdeckt – vermutlich hat einfach noch keiner dieser Sterne das Ende seines Lebenszyklus erreicht.

Doch wie geht die Geschichte der Weißen Zwerge weiter?

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Weiße Zwerge
Planetenzerstörer, Kristallkugeln und stellare Wiedergänger

Was von Sternen übrig bleibt
Was sind Weiße Zwerge und wie entstehen sie?

Vom Sternrest zur Diamantkugel
Wie entwickeln sich Weiße Zwerge?

Explosive Wiedergänger
Stellare Kannibalen, Novae und Supernovae

Die Abweichler
Wenn Weiße Zwerge verschmelzen

Planetenzerstörer und Lebensspender
Kann es um Weiße Zwerge noch Welten geben?

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