Griff nach den Sternen

Text: Rainer Kayser

Auf dem Gebiet der Theoretischen Astrophysik ist Nobert Langer seit zwei Jahrzehnten eine Kapazität. Künftig erforscht er an der Universität Bonn die Entwicklung massereicher Sterne – und trägt so dazu bei, das Argelander-Institut zu einem der führenden astrophysikalischen Forschungszentren in Europa zu machen.

Zu Norbert Langers Spitzenleistungen gehört die Entwicklung neuer Modelle für Sterne, die am Ende ihres Lebens in gewaltigen Explosionen vergehen – und so die kosmische Evolution vorantreiben. „Sterne verändern grundsätzlich die Beschaffenheit und die Entwicklung des Kosmos“, erläutert der Astrophysiker. „Ursprünglich gab es im Universum praktisch nur Wasserstoff und Helium – erst die Sterne haben in ihrem Inneren schwerere chemische Elemente produziert, aus denen Planeten und schließlich Leben entstehen konnten.“

Mit seinen Forschungen versucht Langer, den Ablauf dieser kosmischen Evolution – die Entstehung der schweren Elemente – besser zu verstehen. Wie entstehen Sterne, wie entwickeln sie sich, wie gelangen die schweren Elemente schließlich aus ihrem Inneren ins Weltall? Auf diese Fragen sucht der Astrophysiker Antworten. „Die Sterne zeigen uns nicht freiwillig die Dinge, die wir wissen wollen. Im lokalen Universum, also insbesondere in unserer Milchstraße, können wir diese Prozesse gut beobachten“, so der Sternenforscher, „aber in großen Entfernungen und damit in der frühen Geschichte des Kosmos nicht, dort sind wir auf Modellrechnungen angewiesen.“ Nur mit den von Langer entwickelten Modellen kann man quasi ins Innere der Sterne hineinblicken.

Schwere Elemente als Quelle des Lebens
Eine zentrale Rolle für die Anreicherung des Kosmos mit schweren Elementen spielen massereiche Sterne. Oder, wie der Wissenschaftler es formuliert, „alle Sterne, die explodieren können“. Das sind zum einen Sterne mit einer Anfangsmasse, die größer ist als die zehnfache Masse unserer Sonne, die sich rasch entwickeln und dann als Supernova vergehen. Zum anderen aber auch kleinere Sterne, die am Ende ihrer Entwicklung als Weiße Zwerge einem anderen Stern so lange Materie entreißen können, bis sie genug Masse für eine Explosion angesammelt haben. Langer gilt weltweit als einer der führenden Experten für die Entwicklung solcher Sterne.

Explodierende Sterne reichern den Kosmos mit schweren Elementen an – und diese Elemente beeinflussen wiederum die Entwicklung der Sterne. Wie wichtig dieser Einfluss ist, zeigen etwa Langers viel beachtete Arbeiten über Gammastrahlungsausbrüche – die energiereichsten Explosionen im Kosmos, ausgelöst vermutlich durch die Explosion extrem massereicher Sterne. „Im Inneren dieser Sterne bildet sich dabei ein schnell rotierendes schwarzes Loch, aber lange Zeit war unklar, wie solche Sterne überhaupt schnell rotierende Kerne haben können“, sagt der Humboldt-Professor.

Die Antwort darauf liegt in der Häufigkeit des Vorkommens der schweren Elemente. Gammaausbrüche finden überwiegend in Umgebungen mit einem geringen Anteil an schweren Elementen statt, also vor allem im jungen Kosmos. Wie die Modelle von Langer und seinen Mitarbeitern zeigen, ist es unter anderem das Fehlen der schweren Elemente, das die Entstehung schnell rotierender Kerne in massereichen Sternen ermöglicht.

Kosmische Mechanismen verstehen lernen
Denn die Drehung der Sterne wird normalerweise im Verlauf ihres Lebens durch den Sternwind, das ständige Abströmen von Gas, gebremst. Ähnlich wie eine Eiskunstläuferin eine Pirouette durch das Ausbreiten der Arme verlangsamen kann, verringert auch das abströmende Gas die Rotation des Sterns, es „transportiert den Drehimpuls nach außen“, wie die Astrophysiker es ausdrücken. „Für diesen Sternwind sind aber Metallionen in der Sternatmosphäre nötig“, so Langer, „also schwere Elemente, sonst kann die Strahlung des Sterns den Wind nicht antreiben.“

Im Rahmen seiner Humboldt-Professur am Argelander-Institut für Astronomie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Bonn will Langer sich nun insbesondere der frühen Entwicklung massereicher Sterne zuwenden. „Wir mussten unlängst feststellen, dass wir die Hauptreihenphase solcher Sterne keineswegs so gut verstehen wie bislang gedacht“, gesteht der Wissenschaftler. In der Hauptreihenphase verbrennt im Inneren der Sterne Wasserstoff zu Helium. „Wenn wir diese erste und längste Entwicklungsphase eines Sterns nicht verstehen, dann können wir natürlich auch nicht davon ausgehen, dass wir seine späteren Phasen richtig verstehen“, gibt der Physiker zu bedenken.

Die Humboldt-Professur bietet dem Astrophysiker nun die Möglichkeit, eine Arbeitsgruppe aus Spitzenkräften aufzubauen, mit der sich diese komplexen Fragestellungen angehen lassen. „Die üblichen Stellen für wissenschaftliche Mitarbeiter sind auf zwei Jahre befristet, da bekommt man nur Leute unmittelbar nach der Promotion“, sagt Langer. „Jetzt kann ich eine längerfristige Perspektive bieten und so die nötigen Spezialisten für dieses Projekt bekommen.“ Und mit diesem Team, so die Hoffnung des Astrophysikers, die letzten Lücken in unserem Verständnis der kosmischen Evolution schließen.