Warum funkeln Sterne & manche ihre Helligkeit verändern

Es gibt Fragen, die man als Astronom so gar nicht gerne beantworten möchte. Eine davon ist die der heutigen Folge von Abenteuer Sterne: … Warum funkeln Sterne am Nacht-Himmel? Die Antwort ist nämlich eines: völlig entromantisierend. Denn da funkelt, flackert und wackelt in Wirklichkeit nix. Überhaupt nix. Das wissen in jedem Fall alle diejenigen unter Ihnen, die schon mal mit einem Raumschiff im All unterwegs waren. Die vielen Sterne stehen wie ausgestanzt als helle Lichtpünktchen vor kohlrabenschwarzem Hintergrund. Sobald man wieder in die Erdatmosphäre eintaucht, ist’s wieder da, das wunderbare und wahrlich romantische Flimmern, Flackern und Funkeln der Sterne.

Schuld ist also die Atmosphäre, d.h. die Luftschicht, die unsere Erde bis in ca. 100 km Höhe umgibt. Diese Schicht ist nicht gleichmäßig durchmischt, sondern besteht aus vielen einzelnen Schichten und blasenförmigen Paketen, die allesamt nicht still stehen, sondern ständig in Bewegung sind. Je nach Witterung mal mehr oder weniger. Diese Pakete haben jeweils unterschiedliche Temperatur und unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalt. Alles das hat nun Einfluss auf das heraneilende Sternenlicht. Sobald es durch diese Luftpakete saust, wird es nach den Gesetzen der Physik immer dann an den Grenzflächen zweiter Pakete gebrochen, wenn sich deren Temperatur und Feuchtegehalt unterscheiden. Weil der Stern so weit entfernt ist, erreicht uns von ihm quasi nur ein einzelner dünner Lichtstrahl. Und der wechselt jetzt auf seinem Weg zu unseren Augen immer wieder geringfügig seine Richtung. Und so ergibt sich in unseren Augen ein unruhiges und flackerndes Lichtpünktchen.

Wie intensiv sich dieses Funkeln und Flackern bemerkbar macht, ist abhängig von der Helligkeit des Sterns. Sterne die sehr, sehr hell am Himmel zu sehen sind, wie etwa der Stern Sirius im Wintersternbild Großer Hund, zeigen den Effekt des Funkelns umso stärker. Das helle weiße Licht von Sirius ist sogar durchsetzt von einem dezenten Farbspiel aus Rot, Gelb und Blau. Bei eher schwachen Sternen muss man hingegen schon sehr genau hinschauen, um überhaupt ein Funkeln zu sehen. Noch intensiveren Einfluss auf die Intensität des Funkelns hat der augenblickliche witterungsbedingte Zustand der Atmosphäre. Je unruhiger diese ist, desto mehr funkelt und flackert es. Stabile Hochdrucklagen zeigen hingegen weit weniger bis gar kein Funkeln mehr. Einfluss hat aber auch, wie hoch der Stern, den Sie gerade beim Funkeln zusehen, über dem Horizont steht. Steht dieser relativ tief, so muss sich der dünne Lichtstrahl durch viel mehr solcher unterschiedlichen Luftpakete bis zu Ihrem Auge quälen. Das Funkeln, Blitzen und Flackern verstärkt sich dadurch erheblich. Schauen Sie hingegen einen Stern direkt über Ihnen an, also im Zenit, dann funkelt da fast überhaupt nix – zumindest bei einigermaßen stabilen Wetterlagen. Interessant ist, wenn man einen funkelnden Stern mal ein paar Minuten beobachtet. In manchen Nächten funkelt der anvisierte Stern unentwegt. In anderen Nächten schwankt hingegen die Intensität des Funkelns. Zeitweise kann es sogar für Sekunden oder Sekundenbruchteile komplett verschwinden. Mithilfe des Sternenlichts, das uns erreicht, kann man der Atmosphäre quasi live bei der Arbeit zusehen und daraus ggf. sogar ableiten, wie sich das Wetter entwickeln wird.

So richtig interessant ist aber, dass Planeten fast gar nicht funkeln. Damit kann man fast 100% sicher unterscheiden, ob das Lichtpünktchen am Himmel, das man gerade betrachtet, ein Stern oder ein Planet ist. Zumindest gilt das für alle Lichtpünktchen, die mindestens eine Hand breit über dem Horizont stehen. Doch wie kommt das? Das ist relativ einfach erklärt. Planeten sind zwar kleiner als jeder Stern. Doch weil sie uns im Verhältnis derart nahe stehen, erscheinen sie am Himmel nicht mehr als Lichtpunkt, sondern als kleines Lichtscheibchen. Auch wenn man das direkt mit bloßem Auge nicht sieht. Aber, es erreicht uns nicht nur ein einzelner Lichtstrahl, sondern ein ganzes Bündel. Jeder Strahl des Bündels wackelt zwar, doch mittelt sich das in dem Bündel fast zu Null aus. Planeten flackern und funkeln also kaum bis gar nicht. Sollten Sie einen hoch genug stehenden Planeten einmal deutlich flackern sehen, dann wissen Sie, dass in der Atmosphäre über Ihnen gerade der Bär steppt.

Ob Sie nach all diesen harten Fakten dem Funkeln der Sterne noch etwas Romantisches abgewinnen können, überlasse ich Ihnen. Ich für meinen Teil find’s trotz des Wissens darum immer noch total romantisch …

Eigentlich wäre diese Folge nun zu Ende, wenn es da nicht noch eine bestimmte Sternenklasse gäbe, der egal ist, was die Atmosphäre mit dem heraneilenden Sternenlicht macht. Denn das Licht dieser speziellen Sterne schwankt so und so in seiner Helligkeit. Und die Ursachen dafür sind eben nicht in unserer Atmosphäre zu suchen, sondern direkt um den Stern herum oder sogar ins seinem Inneren.

David Fabricius, ein deutscher Amateurastronom, machte am 13. August 1596 eine Entdeckung, die den Danziger Astronom Johannes Hevelius im Jahr 1662 dazu hinreißen hat lassen, diesem Objekt den Namen Mira – „Die Wundersame“ zu geben. Der Stern Mira, oder astronomisch korrekt auch Omikron Ceti, verändert nämlich so stark seine Helligkeit, dass wir ihn zeitweise nur noch mit Teleskopen sehen können, bevor er dann wieder so hell wird, dass er selbst in hellerleuchtenden Städten noch mit bloßem Auge zu sehen ist.

Der Stern Mira gehört nämlich zu einer Klasse an Sternen, die wir Veränderliche Sterne nennen. Einige Zehntausend dieser sehr interessanten Sterne sind uns in unserer Galaxie bisher bekannt. Unterscheiden tun sich Veränderliche Sterne bzgl. der Gründe, warum sie ihre Helligkeit ändern. Ganz allgemein betrachtet gibt es im Wesentlichen zwei Klassen. Bei den einen Sternen ändert sich die Helligkeit aufgrund physikalischer und chemischer Prozesse im Stern selbst. Zu dieser Klasse sagt man auch Echter Veränderliche oder Physische Veränderliche. Bei den anderen Sternen steht irgendwo auf dem Weg zu unserer Erde etwas im Weg, dass das Sternenlicht abschwächt und damit verdunkelt. Zu dieser Klasse sagt man Optisch Veränderliche oder auch Bedeckungsveränderliche.

Bei beiden Klassen von Veränderlichen Sternen kann das nur eine einmalige Abschwächung des Lichtes sein, oder eine wiederkehrende oder gar eine regelmäßig wiederkehrende Erscheinung, also eine periodische.

Der Stern Mira gehört zur Klasse der Echten, also Physisch Veränderlichen Sterne. Das sind zumeist Rote Riesensterne, die sich gerade in einem instabilen Lebensabschnitt befinden. Und so geht es Mira derzeit auch. Der Stern bläht sich ein Stück auf und schrumpft wieder ein Stück zusammen. Dabei variiert seine Helligkeit entsprechend. Zu dieser Sorte von Veränderlichen Sternen sagen Astronomen Pulsationsveränderliche und Mira steht mittlerweile sogar stellvertretend für diese spezielle Gruppe an Sternen.

Wie einst David Fabricius auch, können Sie Mira mit bloßem Auge bei seinen Helligkeits-Schwankungen problemlos zusehen. Sie finden den Stern im Sternbild Walfisch, das im Herbst recht gut zu beobachten ist. Zwischen den beiden Zeitpunkten seiner maximalen Helligkeit, liegen immer etwa 331 Tage. Seine Pulsationsperiode beträgt also 331 Tage. Mira ist dann etwa so hell wie der Polarstern, der übrigens, auch wenn erstaunlich viele Menschen das glauben, nicht der hellste Stern am Nachthimmel ist. In dem Zeitraum dazwischen wird Mira immer dunkler, bis sie selbst an den dunkelsten Orten dieser Welt nicht mehr mit bloßem Auge zu sehen ist. Sodann wird Mira wieder um das etwa 1600-fache heller.

Wer keine Lust hat, so lange auszuharren, um Helligkeitsschwankungen mitzubekommen, dem sei der leicht bläuliche Stern Algol ans Herz gelegt. Diesen uns relativ nahe stehenden Stern finden Sie im Sternbild Perseus. Bei Algol dauert der Hell-Dunkel-Wechsel nämlich nur sehr kurz. Genauer gesagt immer jeweils 2 Tage, 20 Stunden, 48 Minuten und 56 Sekunden. Oder kurz ausgedrückt: immer je knapp 3 Tage. Das ist so kurz, dass man das recht gut mit bloßem Auge am Nachthimmel mitverfolgen kann. Algol wechselt seine Helligkeit in dieser Zeit um gut 1 Größenklasse, was eine Änderung der Helligkeit um gut das 2,5-Fache entspricht. Damit Sie einen Anhaltspunkt haben: Im Minimum ist Algol ein bisschen heller als der Polarstern. Diese Charakteristik bescherte dem Stern, der zu uns etwa weniger im arabischen Mittelalter den Namen Teufelsstern und bei den Astrologen gilt er seit jeher als Unheilbringer.

Der arme Kerl! … Denn Algol kann dafür gar nichts. Denn die von der Erde aus wahrzunehmenden Helligkeitsschwankungen liegen an einer Art „Ringelpiez mit Anfassen“. Algol ist nämlich ein System aus insgesamt drei sich umkreisenden Sternen. Dieses quirlige Sternsystem ist nun so zu uns geneigt, dass man immer dann einen Helligkeitseinbruch sieht, wenn in Sichtlinie zur Erde ein Stern des Systems den anderen Stern etwas abdeckt. Aufgrund dieser Tatsache wird an diesem Beispiel auch klar, warum wir die Sterne alle nur mit ihrer scheinbaren Helligkeit leuchten sehen. Auf den Unterschied zwischen dieser scheinbaren Helligkeit und der absoluten Helligkeit bin ich schon ein bisschen in Folge 1 von Abenteuer Sterne eingegangen. Im Unterschied zum Stern Mira handelt es sich beim Teufelsstern Algol um einen sogenannten bedeckungsveränderlichen Stern, der zur Klasse der Optisch Veränderlichen Sternen gehört. Bei Mira hingegen ist das Helligkeitsschwanken ja wie schon besprochen hausgemacht, also im Stern selbst zu suchen.

Der Himmel ist übrigens voll mit Mehrfach-Stern-Systemen. Das reicht bis zu 6, 7 ja gar 8 Sternen, die sich irgendwie umkreisen. Einzelsterne, wie unsere Sonne, sind diesbezüglich absolut in der Minderheit. Und weil das so ist, gibt es in unserer Galaxie zuhauf Bedeckungsveränderliche. Die Schwierigkeit besteht nur darin, dass nur ein verschwindend geringer Bruchteil an solchen Sternen so intensive Helligkeits-Schwankungen zeigt, wie eben z.B. Algol. Das hat nicht nur was mit der tatsächlichen Helligkeit von Sternen zu tun, sondern hauptsächlich mit deren Abstand zu uns. Je weiter entfernt, desto weniger Licht empfangen wir ganz allgemein und desto empfindlicher müssen Sensoren auf entsprechenden Detektoren sein, um überhaupt irgendeine winzig kleine Helligkeitsänderung im empfangenen Licht feststellen zu können. Mit demselben Problem kämpfen ja auch diejenigen Astronomen, die auf der Jagd nach sogenannten Expoplaneten sind. Also erdähnlichen Planeten um Sterne. Aufgrund der überwiegend eher recht geringen Größe dieser Planeten ist natürlich auch die Verdunklung beim Vorbeizug des Planeten vor dem Stern mini-mini-mini-mal. Selbst in den größten Teleskopen dieser Welt kann man keinen der Planeten um andere Sterne herum direkt sehen. Nur eben durch z.B. die Verdunklung. Eine hochspannendes Thema, das mit den Exoplaneten …

Veränderliche Sterne gibt es noch jede Menge weitere. So sind z.B. die sogenannten Cepheiden eine Gruppe in der Klasse der Echten Veränderlichen, die für uns Menschen sogar eine herausragende Bedeutung haben. Sie nutzen uns nämlich signifikant zur Entfernungsbestimmung von Sternen. Und das schon seit etwa 100 Jahren …
Darüber hinaus gibt es Rotationsveränderliche Sterne, die wegen bestimmter Vorgänge eine mit dunklen Gebieten gesprenkelte Oberfläche haben. Oder Eruptivveränderliche Sterne, die aufgrund von heftigen Explosionen auf der Oberfläche kurzzeitig und punktuell sehr hell werden. Da diese Ausbrüche genau wie die dunklen Gebiete nicht periodisch erscheinen, sagt man zu dieser Gruppe auch Unregelmäßig Veränderliche Sterne.

Oder es gibt z.B. auch noch den Fall, dass weiße Zwerge, also eigentlich der Rest toter ehemaliger Sterne, quasi wiederbelebt werden und es kurzfristig zu enormen Leuchterscheinungen kommen kann, die man sogar am Taghimmel sehen kann … Und … Und … Und …
Sie sehen also: es gibt zig Gründe, warum Sterne ihre Helligkeiten verändern. Genug Stoff, für noch viele weitere Folgen von Abenteuer Sterne …