Spektralastronomie: Das verrät die Farbe der Sterne über deren physikalische Eigenschaften

Anhand des Sternenlichts lässt sich erkennen, welche Temperatur und chemische Zusammensetzung ein Stern besitzt. Zusammen mit der Helligkeit eines Sterns kann man daraus eine Reihe grundlegender Eigenschaften ableiten.

Eine hochauflösende Darstellung des Spektrums unserer Sonne. Die Wellenlänge entlang jedes Streifens nimmt von links nach rechts und von unten nach oben zu. Jeder der 50 Ausschnitte deckt 6 nm ab, was ein vollständiges Spektrum über den sichtbaren Bereich von 400 bis 700 nm ergibt. Bild: N. A. Sharp/KPNO/NOIRLab/NSO/NSF/AURA

Die Spektralastronomie gehört zu den wichtigsten Methoden der modernen Astrophysik. Dabei wird das Licht von Himmelskörpern untersucht, indem es in seine einzelnen Wellenlängen zerlegt wird.

Licht ist der sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung, mit Wellenlängen von circa 400 bis 780 Nanometern (nm). Die Farbe Rot etwa hat Wellenlänge von 600 nm aufwärts, die Farbe Blau hingegen liegt zwischen 460 und 490 nm. Je größer die Energie (Temperatur) eines Körpers ist, desto kleiner ist die Wellenlänge der ausgehenden Strahlung.

Beim Aufsplitten des Lichts entstehen sogenannte Spektren, die wie ein Fingerabdruck Aufschluss über die physikalischen Eigenschaften eines Sterns geben. Schon kleinste Unterschiede im Licht verraten Details, die mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind.

Das Prinzip der Spektralanalyse

Wenn Licht durch ein Prisma oder ein Gitter fällt, wird es in sein Farbspektrum aufgespalten. In diesem Spektrum erscheinen dunkle Linien, die als Absorptionslinien bezeichnet werden.

Absorptionslinien entstehen, weil bestimmte chemische Elemente im Sternenlicht spezifische Wellenlängen absorbieren. Jedes Element hinterlässt dabei ein charakteristisches Muster.

Der deutsche Physiker Joseph von Fraunhofer hatte diese Linien bereits Anfang des 19. Jahrhunderts beschrieben. Im Jahr 1859 entdeckten Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Robert Kirchhoff, dass die Linien mit Emissionslinien von chemischen Elementen übereinstimmen. Daher schloss man darauf, dass diese Elemente auf Sternen vorhanden sein müssten.

Heute bilden diese Spektrallinien die Grundlage für die Klassifikation von Sternen.

Spektralklassen – die Ordnung der Sterne

Sterne werden anhand ihrer Spektren in Klassen eingeteilt, die sogenannten Spektralklassen. Die sieben Grundklassen sind O, B, A, F, G, K, M. Die Reihenfolge entspricht einer abnehmenden Oberflächentemperatur.

Heiße Sterne der Klasse O erscheinen bläulich und erreichen Temperaturen von über 30.000 Kelvin. Sterne der Klasse M hingegen sind vergleichsweise kühl und leuchten rötlich.

Dazu kommen die erst später eingeführten Klassen L, T und Y für Braune Zwerge sowie die Klassen R, N und S, die auch als Kohlenstoffklassen der Roten Riesen bezeichnet werden.

Sternenklassifikation der Hauptreihensterne: Die Abbildung zeigt die verschiedenen Sternentypen mit ihrem typischen Spektrum, Farbe, Temperaturbereich, dem Vorkommen von Wasserstofflinien, ihrer Größe und ihrem Anteil an allen bekannten Sternen. Bild: Pablo Carlos Budassi/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0

Unsere Sonne gehört zur Grundklasse G. Sie stellt damit einen mittelwarmen Stern dar, der weder besonders heiß noch besonders kühl ist. Es existiert noch eine feinere Einteilung mit Zwischenklassen wie G0 bis G9, wobei die Sonne der Klasse G2 angehören würde.

Was Spektren sonst über Sterne verraten

Zusammen mit der Helligkeit (Leuchtkraft) lässt sich durch die Spektralklasse das genaue Lebensstadium eines Sterns ermitteln. Zur genauen Einordnung werden etwa die bekannten Hertzsprung-Russell-Diagramme verwendet.

Hertzsprung-Russell-Diagramme zeigen anhand von Helligkeit und Spektralklasse an, welches die häufigsten Sterntypen sind. Dazu gehören neben den Hauptreihensternen, zu der auch unsere Sonne gehört, Zwerge, Riesen und Überriesen.

Für die Hauptreihe lässt sich zudem durch die Masse-Leuchtkraft-Beziehung die Masse eines Sterns bestimmen.

Das Hertzsprung-Russell-Diagramm bildet anhand von Leuchtkraft und Spektralklasse verschiedene Sternklassen ab, insbesondere Hauptreihensterne (Main Sequence), Zwerge (Dwarfs), Riesen (Giants) und Überriesen (Supergiants). Bild: ESO

Darüber hinaus geben Spektren Hinweise auf Bewegungen. Durch den sogenannten Doppler-Effekt verschieben sich Linien im Spektrum, wenn sich ein Stern auf die Erde zu- oder von ihr wegbewegt.

Auch das Alter und die Entwicklungsphase eines Sterns lassen sich indirekt bestimmen. Spektralklassen sind daher ein zentrales Werkzeug zur Erforschung stellarer Lebenszyklen.

Gegenwärtige und zukünftige Bedeutung

Mithilfe der Spektralastronomie lassen sich auch Galaxien, Nebel und Exoplaneten untersuchen. Selbst weit entfernte Objekte können analysiert werden, ohne direkt erreicht werden zu müssen. Dank moderner Teleskope und Spektrographen hat sich die Genauigkeit der Bestimmung erheblich verbessert, sodass sich sogar Atmosphären fremder Planeten untersuchen lassen.

Mit neuen Observatorien wird die Spektralanalyse weiter an Bedeutung gewinnen, insbesondere im Bereich der Exoplanetenforschung. Forscher hoffen, mithilfe von Spektren eines Tages eindeutige Hinweise auf Leben außerhalb der Erde zu finden. Das Licht ferner Welten könnte somit Antworten auf eine der größten Fragen der Menschheit liefern.

Quellenhinweis:

Max Planck Institut: Die Spektralklassen.

Universität Göttingen: Spektralklassen und Leuchtkraftklassen.

NASA: Types of Stars.