Hvorfor lyser stjernerne?

Mennesker har gennem alle tider kigget op på himlen og undret sig over, hvad der får stjernerne til at lyse.

Her på Videnskab.dk modtager vi også spørgsmål om emnet, og vores læser Daniel von Tabouillot har endda gjort sig det besvær at regne på produktionen af fotoner i stjernernes indre. Men han kan ikke få tallene til at passe, og så er det jo bare at spørge forskerne.

Vi har sendt spørgsmålet omkring stjernernes lys videre til astronomerne Helle og Henrik Stub, der kvitterer med et ganske kort svar: »Stjernerne lyser, fordi de er varme.«

Det kræver selvfølgelig en uddybning, og den får vi da også:

»Den stråling, stjernerne udsender, er varmestråling, svarende til overfladetemperaturen af stjernen. Det er derfor, den ca. 6.000 grader varme sol udsender det meste af sit lys i det gule område, mens en kold, rød dværgstjerne på kun 3.000 grader lyser rødt.«

Brintkerner skal smelte sammen

Der ligger en række komplicerede kerneprocesser i stjernens indre bag udsendelsen af lys, fortæller astronomerne videre:

»Kerneprocesserne foregår ved en temperatur på mange millioner af grader – og den stråling, de producerer, er kortbølget gammastråling. Men på sin lange vej ud gennem stjernen taber strålingen så meget energi, at den normalt forlader stjernen som synligt lys.«

Og der er noget næsten mirakuløst ved de kerneprocesser, der giver Solen energi. Det er en omdannelse af brint til helium, der foregår i tre trin, og heldigvis så langsomt, at Solen er næsten 10 milliarder år om at bruge sit lager af brint.

Helle og Henrik Stub forklarer: »Det første trin består i, at to brintkerner støder sammen og danner en kerne af tung brint. En brintkerne består af en enkelt proton, mens en kerne af tung brint består af en proton og en neutron.«

Mirakuløs atomkraft

»Det giver to flaskehalse for dette første trin: For det første skal de to brintkerner overvinde deres elektriske frastødning, så de kan komme så tæt på hinanden, at der kan foregå en sammensmeltning af de to kerner. Ved de godt 15 millioner grader, der er i centrum af Solen, er det kun en forsvindende lille brøkdel af brintkernerne, der bevæger sig hurtigt nok til, at de kan overvinde den elektriske frastødning.«

»Det er dog kun et mindre problem i forhold til den anden flaskehals: Når de to kerner er tæt på hinanden, så skal den ene kerne spontant omdannes til en neutron og en positiv elektron, en såkaldt positron. Det er en meget lidt sandsynlig proces, og det betyder, at dannelsen af den tunge brint er utrolig vanskelig – det er tæt på et mirakel, at processen overhovedet kan foregå.«

»Udtrykt i tal, så skal en brintkerne i gennemsnit opholde sig 14 milliarder år i Solens indre, før den undergår den proces, hvor den smelter sammen med en anden proton og danner tung brint. Det er længere end Solens levetid, så Solen når ikke at udnytte al sin brint,« forklarer Helle og Henrik Stub. (Se i øvrigt boks i bunden af artiklen.)

Jorden bliver en ørkenplanet

De to næste processer er meget lettere. Den tunge brint reagerer med en almindelig brintkerne og danner en let isotop af helium, kaldet helium 3.

I den sidste proces reagerer to helium-3 kerner med hinanden og danner den normale isotop helium-4 under udsendelsen af to protoner.

»I løbet af de 4,5 milliarder år, Solen har eksisteret, har den omdannet en brintmasse svarende til massen af 14.700 jordkloder eller seks procent af Solens oprindelige lager af brint. Derved ændrer Solens opbygning sig, så den bliver gradvist varmere og mere lysstærk.«

»Om en milliard år vil Solen være så varm, at havene vil fordampe, og Jorden vil forvandles til en 300 grader varm ørkenplanet,« fortæller Helle og Henrik Stub.

En stjernes udsendelse af lys er altså et resultat af kerneprocesser. Omdannelsen af brint til helium er den mest almindelige og samtidig den, der giver mest energi pr. kg brændstof, men mange andre processer kommer i spil i løbet af en stjernes liv.

Gammafotoner forvandles til lys og varme

»Ved de høje temperaturer i stjernernes indre produceres strålingen som ultrahård gammastråling – men under strålingens mange tusinde år lange vandring fra centrum til overfladen køles strålingen. De meget energirige gammafotoner omdannes på deres vej ud gennem stjernen gradvist til et stort antal fotoner af mindre energi: Først røntgenstråling, derpå ultraviolet stråling.«

»Til sidst, når strålingen er fremme ved stjernens overflade, optræder også fotoner af synligt lys. Men da der jo er tale om varmestråling fra overfladen, udsendes der naturligvis fotoner af mange forskellige bølgelængder, svarende til forskellige fotonenergier.«

»Derfor kan selv store stjerner med temperaturer på over 100 millioner grader i centret ende med at udsende et rødligt lys, svarende til en meget lavere temperatur,« slutter Helle og Henrik Stub.

Så skulle ingen længere være i tvivl om, hvorfor stjernerne lyser. Og Daniel von Tabouillot får tilsendt en t-shirt med tak for spørgsmålet.

Du kan læse flere svar eller selv stille spørgsmål i Spørg Videnskaben.