Wissenschaft im Dialog

Welche Temperatur herrscht im Weltraum, welche in der Sonne? Und wie kommt der große Temperaturunterschied zustande?

Die Temperaturunterschiede im Weltraum sind extrem groß. Sie reichen von nahe dem absoluten Nullpunkt bis zu mehreren Milliarden Kelvin im Inneren von sehr massereichen Sternen oder in der Nähe von Schwarzen Löchern. Die unterschiedlichen Temperaturen sind auf die verschiedenen physikalischen Prozesse zurückzuführen, die im Kosmos stattfinden und bei denen entweder Wärme erzeugt wird oder wieder verloren gehen kann.

Temperatur als physikalischer Begriff beschreibt den Bewegungszustand von Atomen und Molekülen. Je schneller die Teilchen eines Körpers sich bewegen, desto höher ist dessen Temperatur. Es handelt sich hierbei um eine ungeordnete, d. h. statistisch zufällige Bewegung. Die tiefstmögliche Temperatur wäre also dann erreicht, wenn sich die Teilchen in völliger Ruhe befinden. Dieser so genannte absolute Nullpunkt (null Kelvin) liegt bei minus 273,15 Grad Celsius. Er ist nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik niemals exakt erreichbar. Denn ein Gesetz der Quantenphysik (die Heisenbergsche Unschärferelation) sagt, dass es grundsätzlich unmöglich ist, den Ort und die Geschwindigkeit eines Teilchens gleichzeitig exakt zu messen. Gerade das wäre aber möglich, wenn ein Teilchen überhaupt keine Bewegungsenergie mehr hätte.

Nun ist das Weltall kein homogener Körper, sondern ein stark strukturiertes Gebilde, mit Galaxien, Sternen, Planeten, Monden und dem Raum dazwischen. Die unterschiedlichen Körper im Weltraum haben eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung und eine unterschiedlich hohe Massendichte. An manchen Stellen herrscht ein Vakuum, mit nur etwa einem Teilchen pro Quadratzentimeter (oder weniger) bzw. Massendichten von 10 bis 27 Kilogramm pro Kubikmeter. Massereiche Sterne oder gar Neutronensterne haben Dichten von 10 hoch 17 Kilogramm pro Kubikmeter.

Im interstellaren Raum sind die Temperaturen sehr unterschiedlich: Sie reichen von nahe dem absoluten Nullpunkt in Molekülwolken (d. h. in Gebieten, in denen Sterne gebildet werden) bis zu mehreren hundert Millionen Kelvin in Überresten von Supernova-Explosionen. Die Temperaturen hängen im Wesentlichen von den physikalischen Prozessen ab, die für die Heizung und Kühlung verantwortlich sind. Sehr effiziente Heizung tritt in Form von Schockwellen in Überschallströmungen (vgl. hierzu die Aufheizung des Shuttles beim Wiedereintritt in die Atmosphäre) auf, die im interstellaren Raum sehr häufig sind, während Kühlung meist durch Abstrahlung von Atomen und Molekülen bewerkstelligt wird.

In Sternen, z. B. in der Sonne, entstehen hohe Temperaturen meist aufgrund von Kernfusionsprozessen und durch gigantische Gravitationskräfte bei älteren, bereits entwickelten Objekten. So herrschen in der Sonne Temperaturen bis zu mehreren Millionen Kelvin: auf der Oberfläche ca. 5.700 Kelvin. In der Korona – von dort kommt das diffuse Licht, das man z. B. bei einer totalen Sonnenfinsternis sieht – liegt die Temperatur bei etwa 2 bis 5 Millionen Kelvin. Im Inneren der Sonne – wo Energie durch Kernfusion erzeugt wird – herrschen Temperaturen von ca. 15 Millionen Kelvin.

Diese hohen Temperaturen im Inneren der Sonne, aber auch von anderen Sternen, ist eine Folge der Gravitation. In einer Gaskugel (nichts anderes ist ein Stern) werden die Teilchen durch die eigene Schwerkraft so lange komprimiert, bis der Druck im Inneren dem Gravitationsdruck standhält. 

Dies geschieht auch in unserer Sonne, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht. Durch die große Masse – und die damit verbundene hohe Schwerkraft – werden die Teilchen im Inneren der Sonne immer stärker zusammengedrückt. Die Temperatur steigt, und die Wasserstoffatome haben dadurch genug Energie, um in der Kernfusion zu Heliumatomen zu verschmelzen. Da diese leichter sind als Wasserstoffatome, wird die „fehlende“ Masse entsprechend der von Albert Einstein gefundenen Formel E = mc² in riesige Mengen von Wärmeenergie umgesetzt. Die Folge ist der Anstieg der Temperatur.

Die verschiedenen Temperaturen, die man im Kosmos antrifft, spiegeln also die verschiedenen physikalischen Prozesse wider, bei denen entweder Wärme erzeugt wird oder wieder verloren gehen kann, z. B. Kühlung durch Abstrahlung. Doch selbst an den Orten im Weltall, die sich weit entfernt von Wärme spendenden Sternen befinden, kann es nicht kälter als etwa drei Kelvin sein. So „warm“ ist die so genannte Hintergrundstrahlung, die als ein Überrest des Urknalls gilt und das gesamte Universum durchdringt.

Diese Frage beantwortete Prof. Dr. Dieter Breitschwerdt, Direktor des Zentrum für Astronomie und Astrophysik der TU Berlin.