Grüne Sterne: warum es sie gibt und doch nicht gibt

Haben Sie schon mal ein Marsmännchen gesehen? Nein? …. Schade. Denn dann könnte man endlich einmal überprüfen, ob die tatsächlich grün sind. Denn das vermutet die Menschheit ja irgendwie. Und zwar schon seit ungefähr 100 Jahren. Warum die allerdings ausgerechnet grün sein sollen, weiß eigentlich keiner so genau. Was wir Menschen hingegen sehr genau wissen ist die Tatsache, dass es grüne Sterne gibt. Obwohl die bisher auch noch keiner gesehen hat. Das klingt paradox für Sie? Sehr gut. Denn dann ist diese Folge von Abenteuer Sterne genau das Richtige für Sie. Das heutige Thema lautet nämlich: Grüne Sterne – warum es sie gibt und eben doch nicht gibt.

Um das zu verstehen, müssen wir einen kleinen Ausflug in das Reich des Lichtes machen und uns mit ihm etwas auseinandersetzen. Und dazu brauchen wir unsere Sonne. Sie ist ja ein Stern, also eine riesige, selbstleuchtende Kugel aus heißem Gas. Im Inneren wird durch die Fusion von Atomkernen Energie frei, die dann an ihrer rund 5500 Grad Celsius heißen Oberfläche in Form von Licht abgestrahlt wird. Dieses Licht erreicht uns circa 8 Minuten später auf der Erde. Hier angekommen wechselwirkt es mit allen möglichen Objekten und Stoffen. Alle die werden dann mithilfe unserer Augen und dem dahinter geschalteten Zentralrechner, den wir Hirn nennen, für uns sichtbar.

Licht besteht im Prinzip aus schwingenden elektrischen und magnetischen Feldern und transportiert Energie. Diese Energie, die da transportiert wird, nennt man Strahlungsenergie. Je nachdem, wie oft Licht pro Sekunde schwingt, ergibt sich jeweils eine andere Licht-Art bzw. kann man dazu auch Strahlungsart sagen. Das Sonnenlicht setzt sich aus einem breiten spektralen Spektrum unterschiedlichster Lichtarten zusammen. Das reicht von der hochenergetischen Gammastrahlung, bei der das Licht über sagenhafte 30 Trillionen Mal pro Sekunde schwingt, bis zu niederenergetischen Radiostrahlung am anderen Ende des elektromagnetischen Spektrums, bei der das Licht „nur“ noch rund 3 Millionen Mal pro Sekunde schwingt. Und relativ genau in der Mitte dieses großen Bereichs befindet sich ein vergleichsweise winziger Bereich an Licht, das wir mit unseren Augen sehen können. Diesen Bereich nenne ich jetzt mal Fenster. Dieses Fenster reicht von blauem bis zum roten Anteil des Lichtes. Die Schwingungslänge, dazu sagt man auch Wellenlänge, liegt somit im Bereich zwischen 400 und 700 Nanometer bzw. entspricht das in Schwingungen pro Sekunde ausgedrückt einem Wert von gut 400 Billionen bis zu knapp 800 Billionen Mal. Schaut man sich das gesamte von der Sonne abgestrahlte Licht an, so stellt man fest, dass sich die einzelnen Abschnitte nahtlos aneinanderreihen, also ohne gravierende Lücken dazwischen. Die Sonne sendet also so gut wie Licht aller Wellenlängen aus. Darum nennt man das Spektrum des Sonnenlichtes auch „Kontinuierliches Spektrum“ …

Dass die Sonne ein nahezu astreines kontinuierliches Spektrum abstrahlt, sieht man übrigens sehr beeindruckend bei einem Regenbogen. Dort brechen winzige Wassertropfen das gesamte Sonnenlicht in seine spektralen Anteile auf. Den Teil aus dem sichtbaren Fenster können wir dann in Farben aufgedröselt am Himmel sehen. Nahtlos reihen sich die Farben Violett, Blau, Grün, Gelb, Orange und Rot aneinander. Ein fantastischer Anblick.

Doch zurück zum Thema: Wie gerade schon gesagt, können wir mit unseren Augen vom gesamten Spektrum nur Licht sehen, das in diesem kleinen Fenster liegt. Links von diesem Fenster, also in Richtung Ultraviolettes Licht, und rechts von diesem Fenster, also in Richtung Infrarotlicht, können wir nichts sehen. Dafür aber spüren. Halten wir z.B. unsere Hand in die Sonne, spüren wir auf der Haut die Infrarotstrahlung als wohlige Wärme. Halte wir unsere Hand hingegen sehr lange in die Sonne, schlägt sukzessive das UV-Licht zu. Wenn’s gut lief, haben Sie eine schöne Bräune auf der Hand. Wenn‘ schlecht lief, haben Sie sich einen ordentlichen Sonnenbrand eingefangen … Sind Sie noch da ….? …. Ich hoffe doch … Denn alles das brauchen wir als Grundlage für das heutige Thema.

Grundsätzlich ist es so, dass jeder physikalische Körper, der wärmer als Minus 273,15 Grad Celsius ist (das ist der absolute Nullpunkt), elektromagnetische Strahlung aussendet. Sobald nämlich die Atome und Moleküle des Körpers in Bewegung sind, werden mit ihnen auch Ladungsträger bewegt und somit elektromagnetische Strahlung freigesetzt. Ganz allgemein spricht man in diesem Fall von sogenannten Thermischen Strahlern. Deren erzeugte Spektren hängen im physikalischen Idealfall ausschließlich von der Temperatur des Körpers ab und weisen immer ein deutliches Strahlungsmaximum auf. Wie sich die Strahlungsintensität auf die einzelnen Wellenlängen jeweils verteilt, beschreibt das planksche Strahlungsgesetz, das wir dem dt. Physiker Max Plank verdanken. Der läutete damit übrigens vor über 100 Jahren die Ära der Quantenphysik ein. Das aber nur am Rande. Damit wir mit unseren Augen Licht sehen können, muss ein physikalischer Körper eine Mindesttemperatur haben. Dazu sagte ich schon in Folge 1 von Abenteuer Sterne etwas. Weil wir Menschen eine Körpertemperatur von nur rund 37° Celsius haben, strahlt unsere Haut hauptsächlich Wärmestrahlung aus. Das Strahlungsmaximum befindet sich also im Infraroten Spektralbereich. Das führt dazu, dass wir Menschen uns nachts nicht leuchten sehen. Wir sind einfach zu kühl. Es sei denn, wir würden so starkes Fieber bekommen, dass wir mehr als 500 Grad Celsius heiß werden. Dann verschiebt sich dieses Strahlungsmaximum in Richtung des sichtbaren Spektralbereichs, so dass wir uns auf einmal leuchten sehen würden. Erhitztes Eisen erscheint uns ab etwa 700 Grad dunkelrot, bei 1000 Grad schon gelblich und bei etwa 1500 Grad erscheint es uns schließlich weißglühend. Ist die Temperatur hoch genug, verschiebt sich das Strahlungsmaximum so weit in den kürzeren Wellenlängenbereich des Spektrums, dass wir den erhitzten Körper dann sogar dezent weißbläulich leuchten sehen. Dieses Verhalten, nämlich dass sich das Strahlungsmaximum immer mehr vom roten in Richtung des blauen Lichtanteils verschiebt, je heißer ein Objekt ist, beschreibt das sogenannte Wiensche Verschiebungsgesetz. Und das Verhalten, dass ein heißeres Objekt über den gesamten Wellenlängenbereich mehr Licht aussendet als ein kühleres Objekt, beschreibt das sogenannte Stefan-Boltzmann-Gesetz.

Puuhhhh…. Jetzt aber endlich zu den Sternen. Sterne sind genau solche thermischen Strahler. Und jeder thermische Strahler hat immer irgendwo in seinem Spektrum ein Strahlungsmaximum. Die Sonne ist auch ein Stern und somit hat unsere Sonne auch ein Strahlungsmaximum. Und das liegt aufgrund ihrer Oberflächentemperatur von rund 5500 Grad Celsius im grünen Spektralbereich! Die Sonne strahlt also im grünen Licht am intensivsten. Und voilà, damit haben wir ihn endlich: … unseren gesuchten grünen Stern. Blöd an der ganzen Sache ist aber, dass wir da gar nix Grünes sehen. Wir sehen die Sonne nämlich einfach nur weißlich leuchten.

Woher kommt das? Das hat mit zwei Dingen zu tun. Zum einen können wir mit unseren Augen aus dem gesamten Sonnen-Spektrum ja nur das Licht innerhalb dieses schmalen Fensters sehen. Das erklärte ich vorhin ja schon. Zum anderen muss man sich parallel dazu unsere Augen genauer ansehen. Dort gibt es nämlich ins unserer Netzhaut bestimmte Rezeptoren. Nämlich Stäbchen und Zäpfchen. Die Stäbchen kümmern sich um Hell-/Dunkelwahrnehmungen, die Zäpfchen hingegen sind fürs farbige Sehen zuständig. Wir brauchen für das Thema Grüne Sterne nur die Zäpfchen. Davon gibt es insgesamt drei Typen. Nämlich welche, die für blaues Licht empfindlich sind, welche, die für grünes Licht empfindlich sind und welche, die für rotes Licht empfindlich sind.

Nehmen wir mal ein rotes T-Shirt. Warum sehen wir das rot? Das ist relativ einfach erklärt. Das T-Shirt wird vom Sonnenlicht getroffen. Also von einem kontinuierlichen Spektrum getroffen, in dem alle Wellenlängen enthalten sind. Ein bestimmter Teil des Lichtes dringt in das T-Shirt ein und erwärmt es dadurch ein bisschen. Der Rest des Lichtes wird durch Streuung zurückgeworfen in den Raum und erreicht dann unter anderem auch unsere Augen. Und jetzt kommt’s: Derjenige Anteil, der von diesem Shirt verschluckt wurde, ist der bläuliche Anteil des Sonnenlichtes. Dieser Anteil fehlt nun dem in den Raum gestreute Anteil und so dominiert die Farbe Rot. Blau wird also vom Shirt verschluckt, Rot durch Streuung zurückgeworfen und zack: sehen wir ein herrlich rotes T-Shirt. Denn weil Rot überwiegt, sprechen in unserer Netzhaut überwiegend die Zäpfchen an, die für rotes Licht empfindlich sind.

Werden durch ein T-Shirt alle drei Zäpfchen-Typen im exakt gleichen Maße angesprochen, also die für Blau, Grün und Rot, sehen wir ein weißes T-Shirt. Werden nur zwei von drei Zäpfchen angeregt, sieht man je nach Kombination entweder Gelb, Cyan oder Magenta. Und wird kein Zäpfchen angesprochen, sehen wir schwarz.

Doch zurück zu unserem Grünen Stern. Wir können Grün sehen und unsere Sonne hat ihr Strahlungsmaximum im grünen Wellenlängen-Bereich. Warum sehen wir die Sonne dann nicht grün, sondern weiß? Wie schon gesagt sehen wir vom gesamten kontinuierlichen Spektrum der Sonne nur das Licht in dem kleinen Fenster-Rahmen. Und nun kommt’s: Das Strahlungsmaximum unserer Sonne liegt genau in der Mitte dieses Fensters. Unsere Augen bekommen also von Blau über Grün bis Gelb alles an Farben ab. Trotz eines kleinen Übergewichtes von Grün, ergibt sich in Summe durch das Zusammenspiel unserer Zäpfchen in der Netzhaut ein weißliches Licht für unser Gehirn.

Der Himmel ist sogar ziemlich voll mit Grünen Sternen. Denn eine sehr große Anzahl an Sternen ist ähnlich wie unsere Sonne. Da wir Grüne Sterne weißlich sehen, ist der Himmel eben ziemlich voll mit weißlich leuchtenden Sternen. Doch wer genau hinsieht, erkennt eine durchaus beachtliche Zahl an Sternen, die eine leichte Rot- oder Gelbfärbung haben. Und sogar ein paar wenige, die irgendwie leicht bläulich leuchten. Warum sind die nicht auch alle weiß, wie der große Rest an grünlichen Sternen? Das liegt einzig an der Position des Strahlungsmaximums innerhalb des sichtbaren Fensters. Bei Grünen Sternen liegt es so ziemlich in der Mitte. Alles überlagert sich dann wie schon gesagt zu weiß. Bei rötlichen leuchtenden Sternen liegt das Maximum hingegen am rechten Rand des Fensters. Also in Richtung Infrarot-Licht. Und das können wir nicht sehen. Darum resultiert aus dem reduzierten sichtbaren Anteil dann die rote Komponente. Wir sehen einen weißlichen Stern mit einem eindeutigen Rotanteil. Bei bläulich leuchtenden Sternen liegt das Maximum hingegen am linken Rand des Fensters. Den Ultravioletten Anteil können wir aber nicht sehen. Der verbleibende Rest des sichtbaren Anteils summiert sich dann zu bläulichem Licht auf. Wir sehen einen weißlich leuchtenden Stern mit einer dezenten Blaufärbung.

Dass uns die Sonne im Alltag eher weißgelblich statt reinweiß erscheint, liegt an unserer Atmosphäre. Die Atome und Moleküle in der Luft streuen den Blauanteil des Lichtes etwas stärker. So verschiebt sich das Sonnenspektrum ganz leicht ins Gelbliche. Je tiefer die Sonne steht, desto mehr Blau streut sich heraus und desto mehr orange bis rötlich erscheint uns die Sonne. Ohne Atmosphäre, also vom Weltall aus betrachtet, ist die Sonne so gut wie reinweiß.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Lage des Strahlungsmaximums des Sternenlichts dafür verantwortlich ist, zu welcher resultierenden Farbe sich das sichtbare Licht für unsere Augen überlagert. Wie einleitend schon erwähnt, bestimmt die Temperatur des Strahlers, wo sein Strahlungsmaximums liegt. Sterne, wie etwa Beteigeuze im Sternbild Orion, haben nur ca. 4000 Grad Celsius Oberflächentemperatur. Das Strahlungsmaximum liegt also am rechten Rand des Fensters und somit sehen wir Beteigeuze herrlich rötlich leuchten. Einen leicht bläulich leuchtenden Stern, wie den Stern Wega, oder die drei Gürtelsterne des Sternbildes Orion, sehen wir hingegen ganz dezent bläulich leuchten. Diese Sterne sind mit etwa 10.000 bzw. über 20.000 Grad Oberflächen-Temperaturen so heiß, dass deren Maxima im blauen Spektralbereich liegen. Also am linken Rand des Fensters. Ist ein Himmelsobjekt noch viel heißer, also z.B. einige Millionen Grad Celsius, dann ist das Strahlungsmaximum so weit in den kurzwelligen, blauen Spektralanteil verschoben, dass wir mit unseren Augen gar kein Licht mehr sehen können. Das ist z.B. bei einem schwarzen Loch der Fall, um das eine extrem heiße Gasscheibe rotiert. So ein Objekt sendet hauptsächlich Röntgenstrahlung aus. Wollen wir uns am Himmel alle Objekte anschauen können und sie studieren, dann müssen wir auf alle Bereiche des gesamten elektromagnetischen Spektrums schauen. Deswegen bauen wir nicht nur normale Teleskope, sondern z.B. auch Infrarot- und Radio-Teleskope oder nutzen sogar Satelliten dafür … Denn Licht ist für Astronomen fast alles …