Rote Zwerge sind die kleinsten aktiven Sterne und machen etwa 70 Prozent der Sterne in unserer Milchstraße aus.
Merkmale
Rote Zwerge sind Hauptreihensterne des Spektraltyps M. Ihre Masse beträgt zwischen 8 und 57 Prozent der Sonnenmasse. Bei einer geringeren Masse käme keine Wasserstofffusion zustande, es entstünde ein Brauner Zwerg. Etwas massereichere Sterne sind orange Zwerge des Spektraltyps K.
Die Masse eines typischen roten M Zwerges beträgt in in etwa die 0,1fache Sonnenmasse, der Radius ca. 0,1facher Sonnnenradius.[1]
Bedingt durch die geringe Masse findet bei einem roten Zwerg die Umwandlung von Wasserstoff in Helium (Kernfusion durch die Proton-Proton-Reaktion) nur langsam statt. Deshalb liegt seine Oberflächentemperatur nur zwischen 2200 und 3800 Kelvin (Sonne etwa 5800 Kelvin). Es wird dabei fast nur langwellige Strahlung (rötliches Licht und Infrarot) mit geringer Intensität (etwa 1/10000 bis max. 1/10 der Sonne) emittiert.
Rote Zwerge sind komplett konvektiv: Der Wärmetransport funktioniert überall durch Thermik. Konvektion erfolgt wegen der Lichtundurchlässigkeit des dichten Sterneninnerens. Deshalb ist es für Photonen schwieriger, mit Hilfe des Abstrahlung die Oberfläche zu erreichen. Konvektion ist hier der effizientere Prozess. Wegen ihrer geringeren Masse haben die roten Zwerge gegenüber der Sonne eine niedrigere Temperatur, die eine geringere Wärmeausdehnung und somit eine höhere Dichte zur Folge hat.
Ein Rätsel, dass bis heute noch nicht gelöst ist, ist das Fehlen von roten Sternen, die kein Metall enthalten, d.h. andere Elemente als Wasserstoff und Helium. Das Urknallmodell sagt voraus, dass die Sterne der ersten Generation nur Wassersoff, Helium und Spuren von Lithium enthalten können. Falls unter diesen Sternen auch rote Zwerge dabei waren, sollten sie bis heute beobachtbar sein. Doch wurden bis jetzt noch keine solchen Stern gefunden. Die bevorzugte Erklärung ist, dass ohne schwere Elemente nur große und bis heute unbeobachtete Sterne der Sternenpopulation 3 entstehen konnten, die ihren Energievorrat schnell aufbrauchten. Dabei hinterließen sie Elemente, aus denen sich dann rote Zwerge bilden konnten. Eine andere Möglichkeit wäre, dass rote Zwerge ohne Metallen dunkel und selten seien. Da dies dem Evolutionsmodell von Sternen widerspricht, wird diese Theorie als unwahrscheinlich betrachtet.
Weitere Entwicklung
Da bei roten Zwergen die Energie durch Wärmeübertragung weitergeleitet wird, sammelt sich Helium nicht im Kern an, wie es bei grösseren Sternen der Fall ist. Deshalb können sie prozentuell mehr Wasserstoff verschmelzen, bevor sie die Hauptreihe verlassen. Das begründet auch die enorme Lebenszeit der roten Zwerge. Diese reicht, abhängig von der Masse, von mehreren 10 Mrd. bis zu Billionen von Jahren. Das ist auch ein Grund, warum sie so zahlreich sind. Je niedriger die Masse, desto länger seine Zeit in der Hauptreihe. Diese Zeitspanne ist grösser als das Alter des bisherigen Universums. Wenn der Wasserstoff ziemlich erschöpft ist, reduziert sich die Rate der Fusion und der Stern schrumpft. Die gravitative Energie, die dadurch frei wird, wird in Wärme umgewandelt. Diese neu gewonnene Energie wird daraufhin ebenfalls durch Konvektion nach außen geleitet. Damit erreicht der rote Zwerg das Stadium des weißen Zwerges. Rote Zwerge werden nicht zu roten Riesen, da eine Fusion von Helium aufgrund der geringen Masse nicht möglich ist.
Beobachtung
Rote Zwerge sind sehr lichtschwach. Daher kann kein einziger mit bloßem Auge gesehen werden. Der nächstgelegene Stern (nach der Sonne) ist der rote Zwerg Proxima Centauri vom Typ M5 mit einem momentanen Abstand von 4,24 Lichtjahren und einer scheinbaren Helligkeit von 11,01m. Von den nächstgelegenen 30 Sternen sind 20 davon rote Zwerge. Einige rote Zwerge zeigen in unregelmäßigen Abständen starke Flares, welche die Helligkeit des Sterns selbst weit übertreffen können. Wegen ihrer geringen Helligkeit können einzelne rote Zwerge kaum über die großen intergalaktische Distanzen beobachtet werden.
Rote Zwerge als Hilfe zur Altersbestimmung
Die Tatsache, dass rote Zwerge und andere Zwergsterne lange in der Hauptreihe verweilen, während massivere Sterne diese schon verlassen haben, erlaubt die Schätzung des Alters von Sternhaufen. Dabei wird versucht, die Grenzmasse der Sterne zu finden, die sich noch auf dem Hauptast befinden. Dadurch kann man den unteren Wert des Alters der Sterne feststellen. Auch kann dadurch das Zeitalter der Bildung von Formationen in der Milchstraße, wie im galaktischen Halo und in der Scheibe bestimmt werden.
Astronomische Bedeutung
Momentan spielen Rote Zwerge nur eine minimale Rolle im Energiehaushalt des Universums, obwohl rote Hauptreihensterne vermutlich die am meisten verbreitete Sternengattung sind. Jedoch glaubt man, dass sie bedingt durch ihre extreme „Lebensdauer“ und die gegen Ende des Wasserstoffbrennens zunehmende Leuchtkraft bei zukünftig generellem Rückgang der Entstehung neuer Sterne als selbstleuchtende Objekte noch zu einem Zeitpunkt existieren können, wenn der Rest des Universums weitgehend nur noch aus „toter Materie“ in Form von Schwarzen Löchern, Neutronensternen, und verblassenden Weißen Zwergen besteht.
Es wurde noch kein sterbender roter Zwerg entdeckt, da das Universum erst 13,7 Milliarden Jahre alt ist. Dies könnte ein mögliches Indiz für die Endlichkeit des Universums sein. Die erste Generation von Sternen dürfte nach der Urknall-Theorie nur aus Wasserstoff, Helium und Lithium bestehen. Falls zu dieser Zeit auch rote Zwerge entstanden sind, müssten diese heute noch exisistieren. Jedoch wurde kein roter Zwerg gefunden, der nur aus den genannten Elementen besteht.
Planeten
Auffindung
Extrasolarer Planeten, die rote Zwerge umkreisen, wurden 2005 entdeckt. Einer war etwa so groß wie Neptun bzw. hatte 17 Erdmassen. Er umkreist den Stern in einem Abstand von nur 6 Mio. km (0,04 AE). Seine Oberflächentemperatur wird trotz der schwachen Leuchtkraft des Zentralsterns auf 150 °C geschätzt. 2006 wurde ein noch kleinerer Planet gefunden, der nur das 5,5fache der Masse der Erde aufweist, der einen roten Zwerg umrundet. Er ist dagegen 390 Mio. km 0,04 AE) vom Stern entfernt und auf ihm ist es mit -220 °C (56 K) entsprechend kalt.
2007 wurde ein Planet, Gliese 581 C, der den roten Stern Gliese 581 umrundet, entdeckt. Spekulationen reichten von erträglichen, irdisch vergleichbaren Temperaturen bis möglicherweise bewohnbar. Falls die Größe von 5,03fachen Erddurchmessers (geschätzt durch ein Team, das von Stéphane Udry geleitet wurde) richtig ist, dann wäre es der kleinste bis jetzt entdeckte extrasolare Planet, der einen normalen Stern umkreist. (Es wurden noch kleinere, einen Neutronenstern umkreisende Planeten gefunden, die PSR B1257+12 genannt wurden). Die Entdecker legten den Planetendurchmesser auf das 1,5fache des Erddurchmessers fest. Diese Planet befindet sich innerhalb der "bewohnbaren" Zone von Gliese 581, und ist damit bis jetzt der beste Kandidat für erdähnliche Temperaturen. [2]
Bewohnbarkeit
Bewohnbarkeit von Planten eines roten Zwergsternsystems ist Thema einiger Diskussionen. Trotz ihres des häufigen Vorkommens und der langen Lebenszeit von roten Zwergen gibt es mehrere Faktoren, die es Leben auf einem Planeten um einem roten Zwerg schwierig machen könnten.
Zum ersten müssten Planeten in der bewohnbaren Zone von roten Zwergen so nahe am Hauptstern sein, dass sie durch die Gezeitenkraft komplett blockiert wären. Das bedeutet, dass eine Seite des Planeten immmer den Stern zugewandt wäre und auf der anderen immerwährende Nacht herrschte. Das könnte enorme Termperaturunterschiede zwischen Tag- und Nachtseite bewirken. Unter solchen Bedingungen würde es schwierig erscheinen, dass sich Leben unter solchen Umständen entwickeln könnte. Andererseits besagen neuere Theorien, dass eine dicke Atmosphäre oder ein großer, den Planeten umspannender Ozean möglicherweise die Wärme um den gesamten Planeten leiten würden.
Ein anderes potentielles Problem ist, dass Rote Zwerg den Großteil ihrer Strahlung im infraroten Bereich aussenden. Irdische Pflanzen verwenden jedoch hauptsächlich Energie aus dem sichtbaren Bereich des Lichtspektrums. Aber das vielleicht größte Problem wäre die Variabilität des Sternes. Rote Zwerge sind oft mit Sternflecken bedeckt, die die Sternenstrahlung um bis zu 40% monatelang verringern könnten. Andererseits können einige rote Zwerge gewaltige Flares ausstoßen, die die Helligkeit des Sterns innerhalb von Minuten verdoppeln könnten. Diese Variabilität könnte es Leben ebenso schwierig machen, in der Nähe eines roten Zwerges zu bestehen.
Anmerkungen und Einzelnachweise
Siehe auch
Literatur
- Alpert, Mark (2005): Red Star Rising. Scientific American, November 2005, p. 15.