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Angenommen, Sie wollten einen Stern bauen. Vielleicht bist du Teil einer fortgeschrittenen Kardaschew-Typ-3-Zivilisation und musst einen Stern für dein Wissenschaftsprojekt der dritten Klasse machen. Wie würdest du einen Stern erschaffen?

Grundsätzlich ist es recht einfach, einen Stern zu bauen. Sammeln Sie einfach das Gas und den Staub eines Sterns, lassen Sie ihn unter seinem eigenen Gewicht zusammenbrechen, und wenn Sie genug Zeit haben, wird sich ein Stern bilden. So entstehen Sterne auf natürliche Weise. Aber da wir bei diesem Projekt vielleicht benotet werden, wäre es schön, eine Vorstellung davon zu haben, wie viel Masse wir brauchen könnten und wie groß und Temperatur der resultierende Stern sein könnte.

Die Antwort hängt ziemlich stark davon ab, welches Material Sie verwenden und wie sich das Material unter verschiedenen Temperaturen und Drücken verhält (was manchmal als Zustandsgleichung bezeichnet wird). Da das häufigste Material im Universum Wasserstoff ist, lasst uns die Dinge einfach halten und annehmen, dass wir unseren Stern aus reinem Wasserstoff bauen werden. Da Wasserstoff eine sehr einfache Zustandsgleichung hat, ist es leicht zu berechnen, was passieren wird, wenn wir unseren Stern bauen.

Wenn wir anfangen, Wasserstoff zu sammeln, werden zwei Dinge passieren. Die erste ist, dass die Anziehungskraft zwischen den Wasserstoffatomen beginnt, das Gas unter seinem eigenen Gewicht zu kollabieren. Der zweite ist, dass der Druck des Wasserstoffs gegen das Gewicht zurückdrückt. Mit der Zeit erreicht das Gas ein hydrostatisches Gleichgewicht, bei dem der Druck des Gases gleich seinem Gewicht ist. Das allein reicht nicht aus, um einen Star zu machen. Wenn Sie die Masse eines Saturns im Wert von Wasserstoff sammeln würden, hätten Sie einen saturngroßen Planeten, keinen Stern. Die naheliegende Lösung besteht darin, einfach mehr Wasserstoff hinzuzufügen, was Ihren Planeten immer größer machen würde. Schließlich würde Ihr Gasball zu einem jupitergroßen Planeten wachsen, und Sie fügen einfach immer mehr Wasserstoff hinzu.

Aber es stellt sich heraus, dass etwas Interessantes passiert, wenn Sie Ihrem Planeten immer mehr Wasserstoff hinzufügen. Je mehr Wasserstoff Sie haben, desto mehr Masse haben Sie, und das bedeutet mehr Gewicht. Das Gas wird stärker gequetscht und dadurch komprimiert. Wenn Sie also die Masse Ihres saturngroßen Planeten verdoppeln, erhalten Sie keinen Planeten, der doppelt so groß ist wie Saturn. Sie erhalten einen Planeten, der etwas größer als Saturn ist, aber eine höhere Dichte aufweist. Zum Beispiel ist Jupiter mehr als dreimal so groß wie Saturn, aber nur etwa 15% größer. Jupiter hat jedoch eine durchschnittliche Dichte, die etwa doppelt so hoch ist wie die des Saturn.

Wenn du immer mehr Masse hinzufügst, wird dein Planet bis zu 3 Jupitermassen größer. An diesem Punkt ist das Gewicht Ihres Wasserstoffballs so groß, dass das Hinzufügen von mehr den Planeten tatsächlich kleiner macht. Infolgedessen wäre ein Planet mit der 10-fachen Masse des Jupiter ungefähr so groß wie Jupiter selbst. Dies stellt eine echte Herausforderung für Astronomen dar, die Exoplaneten untersuchen. Nur weil ein Planet jupitergroß ist, bedeutet das nicht, dass er eine Jupitermasse hat. Das gleiche gilt für kleinere Planeten. Ein „Supererde“ -Planet, der etwas größer als die Erde ist, könnte ein felsiger Planet oder ein kleiner neptunähnlicher Planet sein, je nachdem, woraus er besteht.

Sobald Ihr Wasserstoffball etwa 15 Jupitermassen erreicht, tritt er in das Regime der braunen Zwerge ein. Das Hinzufügen von mehr Masse macht es weiterhin kleiner, aber zu diesem Zeitpunkt beginnt die Temperatur seines Inneren eine bedeutende Rolle zu spielen. Unser einfaches Modell des hydrostatischen Gleichgewichts reicht nicht aus. Der Wasserstoff in der Mitte wird so stark gequetscht, dass er sich deutlich erwärmt. Während ein brauner Zwerg ungefähr die gleiche Größe wie Jupiter hat, kann er mehr als 10 mal heißer sein. Das Hinzufügen von mehr Masse schrumpft den braunen Zwerg weiter leicht, aber es kommt ein Punkt, an dem das Innere so heiß wird, dass es den Druck des Wasserstoffs schneller erhöht, als das zusätzliche Gewicht drücken kann. So wie es eine maximale Größe für einen Planeten gibt, gibt es eine minimale Größe für einen braunen Zwerg. Diese Mindestgröße beträgt etwa 80% der Jupitergröße, an welcher Stelle ein brauner Zwerg eine Temperatur von etwa 2000 K hat. Ein solcher brauner Zwerg würde wie ein kleiner, dunkler Stern aussehen.

Aber ein wahrer Stern ist einer, bei dem Kernfusion in seinem Kern stattfindet. Das Licht und die Wärme eines Sterns sind nicht auf die Gravitationskontraktion zurückzuführen, sondern auf die Erzeugung von Energie durch Verschmelzen von Wasserstoff mit Helium. Dies beginnt, wenn Ihr Wasserstoffball ungefähr 90 Jupitermassen erreicht, was zufälligerweise ungefähr der gleichen Masse wie ein brauner Zwerg von minimaler Größe entspricht. Jetzt, wo du einen Stern gemacht hast, macht das Hinzufügen von mehr Wasserstoff ihn nur größer und heißer. Weil Sterne Wasserstoff in ihrem Kern verschmelzen, ändert sich ihre Größe und Dichte im Laufe der Zeit. Aber wenn wir nur stabile Hauptreihensterne betrachten, dann gibt es eine einfache Beziehung zwischen Masse und Größe. Sie können also einfach entscheiden, wie viel Wasserstoff Sie verwenden möchten, und die Größe Ihres Sterns berechnen.

Natürlich ist dies nur eine einfache hypothetische Frage. Echte Sterne bestehen nicht nur aus Wasserstoff und können sich je nach Herkunft und Alter ganz anders verhalten als unser einfacher Stern. Die Details werden dem Leser als Hausaufgabe überlassen.