Interstellare Materie

Interstellare Materie

Interstellares Gas

Interstellarer Staub

Zwischen den einzelnen Sternen einer Galaxie liegen riesige, fast unüberwindliche Distanzen. Jedoch sind diese gigantischen Zwischenräume niemals völlig leer, ja in manchen Regionen konzentriert sich ein interstellares Medium zu großen Wolken von Hunderten, ja Tausenden Sonnenmassen. Die Geburtsorte der Sterne sind dann auch diese Gebiete interstellarer Materie, vorwiegend in den Spiralarmen unserer Galaxis, wie zum Beispiel der berühmte große Orion- Nebel M42:

M42
M42 im Orion

Mit freundlicher Genehmigung von Robert Gendler

Interstellare Materie besteht aus vielen Komponenten, vor allem aus Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Silizium usw. Aber nicht nur die reinen chemischen Elemente sind hier zu finden, sondern auch verschiedene Moleküle wie Wasser, Kohlenmonoxid, Methan oder Essigsäure. Diese Moleküle können sich bilden durch die Anwesenheit von kosmischem Staub, dessen Oberfläche als Katalysator dienen kann. Die hierzu notwendigen chemischen Reaktionen laufen in der Kälte des Weltraums nur sehr langsam ab, aber Zeit spielt im interstellaren Medium keine bedeutende Rolle.

In unserer Galaxis finden sich sowohl fast reine Wasserstoffwolken als auch Wolken, die überwiegend aus Molekülen bestehen. Die mittlere Zusammensetzung der Materie, die nur eine geringe Dichte aufweist, ist

Dabei muss man weiter unterscheiden zwischen leuchtenden Nebeln, welche durch die Strahlung benachbarter Sterne angeregt werden, und Dunkelwolken, die das Licht der Sterne absorbieren, aber dennoch Radiostrahlung aufgrund ihrer niedrigen Temperatur emittieren.


Interstellares Gas

Etwa 99% der interstellaren Materie besteht aus Gas, und zwar zu rund 90% aus Wasserstoff, dem häufigsten Element im Universum. Diese Wasserstoffwolken wiederum werden eingeteilt in so genannte H I- Gebiete, hier hat das molekulare Wasserstoffgas (H2) eine Temperatur von 50 [K], und in H II- Regionen, in denen der Wasserstoff ionisiert ist und als Plasma bei Temperaturen bis zu 10 000 [K] vorliegt.

IC 349, Barnards Meropen Nebel
IC 349, Barnards Meropen Nebel
Gibt es doch Geister? Diese Aufnahme von Hubble lässt fast darauf schließen. Es zeigt eine Wolke interstellarer Materie mit Namen IC 349, die vom jungen, heißen Stern Merope in den Plejaden mit Strahlung überflutet und damit zum Leuchten angeregt wird. Die enorme Strahlung des Sterns wird die Wolke recht schnell auseinander treiben und zerstören. Die Plejaden sind wohlbekannt als Brutstätte vieler neuer, massereicher Sterne, die in ihrem "jugendlichen" Stadium gewaltige Strahlungsmengen emittieren.

Mit freundlicher Genehmigung von NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Die mit den Dunkelwolken identischen H I- Gebiete emittieren kein sichtbares Licht, senden dafür aber wie gesagt Radiostrahlung aus, unter anderem die bekannte 21 [cm]- Linie des Wasserstoffs.
In diesen Wolken konnten auch Moleküle nachgewiesen werden, wie etwa das OH- Radikal des Formaldehyds, NH3 (Ammoniak), sowie Helium.


Interstellarer Staub

Etwa 1% der gesamten interstellaren Materie besteht aus Staub. Das sind kleine Materiekörnchen von etwa 0.0001 bis 0.001 [mm] Durchmesser. Dieser Staub ist stets in interstellare Gaswolken eingebettet. Man kann ihn als Auswurfmaterial von Novae und Supernovae betrachten, was damit besagt, dass in diesen Körnchen alle Elemente des chemischen Periodensystems zu finden sind. Auch schwerere Elemente als das Eisen, welches ja eigentlich die Endstufe der Kernfusion in den Sternen (siehe auch Energieumwandlung der Sterne) darstellt, werden bei einer Supernovaexplosion erzeugt. Darüber hinaus wird das interstellare Medium auch angereichert durch die nicht zu vernachlässigenden Massen des von allen Sternen emittierten Sternenwindes.


Zwar nehmen Sterne interstellare Materie durch Gravitationswirkung ständig auf, doch der Masseverlust durch Bildung neuer Sterne ist viel bedeutender. Es kann sich hier kein Gleichgewicht einstellen, denn durch Bildung von Weißen Zwergen, Neutronensternen und Schwarzen Löchern ist ein stetiger Verlust der interstellaren Materie gegeben. Orte der Sternentstehung, aus denen letztendlich solche Objekte hervorgehen, sind sicherlich immer die Gebiete, an denen man sehr heiße, junge Sterne findet, denn diese können sich noch nicht allzu weit auf ihren innergalaktischen Bahnen von ihrem Geburtsort fortbewegt haben.

Was aber sollte überhaupt eine solche Materiewolke dazu veranlassen, sich zu einem Stern zusammen zu ziehen? Dieser Vorgang ist leider bis heute noch weitgehend unklar. Man vermutet, dass Störungen der Struktur an bestimmten Stellen der Wolke Kontraktionen auslösen können. Solche Störungen können von Supernovaexplosionen in der Nähe der Wolke hervorgerufen werden. Die Druckwelle der Explosion kann zu Verdichtungen im interstellaren Medium führen und am Ende die partielle Kontraktion der Wolke bis hin zum Stern verursachen.

Der Trifid- Nebel NGC 6514 im Schützen
Der Trifid- Nebel NGC 6514 im Schützen
Sterngeburt im Trifid- Nebel M 20 (NGC 6514) im Schützen. Zu sehen sind durch die intensive Strahlung junger Sterne auseinandergefetzte Gas- und Staubwolken. Dieses Material dient gleichzeitig wieder der Geburt neuer Sterne und wahrscheinlich auch von Planeten. In einem solchen Terrain ist auch unsere Sonne mit ihrem Planetensystem entstanden.

Mit freundlicher Genehmigung von STScI, NASA und Jeff Hester, Arizona State University


Auch kann die Eigengravitation der Wolke eine Rolle spielen, die durch Gravitationsinstabilitäten zu lokalen Kontraktionen führt. Dies kann aber nur in großen Wolken mit hoher Materiedichte geschehen. Hier sorgen dann die Sternwinde der jungen Sterne für weitere Verdichtungen in der Wolke, so dass Sterne fast wie bei einer Kettenreaktion entstehen können. Weitere Auslöser für die Sternentstehung sind darüber hinaus die enormen Gezeitenkräfte, welche bei der Begegnung oder gar Durchdringung zweier Galaxien auftreten. Hier kann die Sternbildungsrate fast explosionsartig hochschnellen, weshalb man von so genannten Starburst- Galaxien spricht.

Wofür es lange keine überzeugende Erklärung gab, ist die Entstehung des Drehimpulses eines Sterns. Wir wissen aber heute, dass sich mit weiter fortschreitender Kontraktion der Materie ein Strudel ausbildet, ähnlich der Akkretionsscheibe eines Schwarzen Loches, so dass weiteres Material auf den entstehenden Protostern hinab spiralt und seinen Drehimpuls auf den Stern überträgt. Zudem wird Drehimpuls von der Wolke selbst übertragen, die ihrerseits Drehimpuls von der Rotation der Galaxie erhält. Nach der "Geburt" des Sterns, wenn also die Kernreaktionen eingesetzt haben und der Stern erstrahlt, bläst ein starker Sternwind die Reste der Akkretionsscheibe davon. Zum Kollaps einer Wolke siehe auch Molekülwolken und Sternentstehung und Entwicklung.