Schalenbrennen

Schichten von Fusionsprozessen in einem Stern mit genügend großer Masse; von oben nach unten; weiß: Schicht ohne Fusionsprozesse; grau: Schicht mit Fusionsprozessen; sonstige in dem jeweiligen Prozess erzeugte Elemente in ()
1: Wasserstoffbrennen: H → He
2: Heliumbrennen: He → C (Be)
3: Kohlenstoffbrennen: C → O (Mg, Na, Ne)
4: Neonbrennen: Ne → O (Mg)
5: Sauerstoffbrennen: O → Si (Mg, Ne, P, S)
6: Siliciumbrennen: Si → Fe (Co, Ni)

Als Schalenbrennen bezeichnet man einen Vorgang in einem alternden Stern. Die Energieerzeugung durch Wasserstoffbrennen verlagert sich vom innersten Volumen in die Peripherie, während im Kern zunächst Helium zu Kohlenstoff und später dann ggf. noch weitere schwerere Elemente fusioniert werden.

Ablauf

Wenn ein Großteil der Wasserstoffkerne im innersten Kern des Sternes zu Heliumkernen fusioniert ist, erlischt diese erste Stufe der Kernfusion. Dadurch sinkt der Strahlungsdruck des Sterns, der durch die beim Wasserstoffbrennen freigesetzte Energie erzeugt wurde. Der Strahlungsdruck hat bis zu diesem Zeitpunkt zusammen mit dem Gasdruck der Gravitation entgegengewirkt und den Stern im hydrostatischen Gleichgewicht der drei Kräfte gehalten. Wegen der nun vorherrschenden Gravitation beginnt der Stern jetzt zu schrumpfen. Aufgrund der Gasgesetze steigen dabei Temperatur und Dichte im Innern, sodass im Kern die nächste Fusionsstufe, das Heliumbrennen, einsetzen kann, sofern der Stern eine genügend große Masse besitzt.

Durch die im Kern neu beginnende Fusion wird die Temperatur einer Kugelschale um den Kern herum ebenfalls steigen, bis der dort noch vorhandene Wasserstoff anfängt, zu Helium zu fusionieren, wie zuvor im Innersten des Sterns.

Dieser Vorgang (Erschöpfung des Kernbrennstoffs im Kern, Kontraktion, nächste Fusionsstufe) wiederholt sich in den nächsten Zeitabschnitten, vorausgesetzt, dass der Stern für die jeweils nächste Stufe eine genügend große Masse besitzt. Hat er mehr als 4 (oder 5, siehe unten) Sonnenmassen, folgt als weitere Stufe das Kohlenstoffbrennen. Sollte der Stern mehr als 8 (oder 11, siehe unten) Sonnenmassen haben, dann folgen noch Neonbrennen, Sauerstoffbrennen und als letzte Stufe das Siliciumbrennen. Der Stern gleicht jetzt in seinem Inneren einer Zwiebel mit Schalen, die nach innen aus immer schwereren Elementen bestehen.

Das Siliciumbrennen stellt das Ende der Fusionsprozesse dar. Der Vorrat an Kernbrennstoff im Inneren wird beim Siliciumbrennen je nach Masse des Sterns in wenigen Stunden bis zu wenigen Tagen aufgebraucht, und dem Gravitationskollaps folgt die Explosion des Sterns in einer Supernova.

Benötigte Massen

Um die jeweils nächste Stufe in dieser Kette von Fusionsprozessen einleiten zu können, benötigt ein Stern mindestens die folgenden Massen (alle Angaben in Sonnenmassen M_☉):

• Wasserstoffbrennen: mindestens 0,08 M_☉
• Heliumbrennen: mindestens 0,25 bzw. 0,5 M_☉
• Kohlenstoffbrennen: mindestens 4 bzw. 5 M_☉.
• Neonbrennen: mindestens 8 bzw. 11 M_☉.
• Sauerstoffbrennen: mindestens 8 bzw. 11 M_☉
• Siliciumbrennen: mindestens 8 bzw. 11 M_☉

Benötigte Temperaturen im Kern

Um die jeweils nächste Stufe in dieser Kette von Fusionsprozessen einleiten zu können, ist im Kern des Sterns mindestens die folgende Temperatur nötig:

• Wasserstoffbrennen: zwischen 1 und 15 bzw. 35 bzw. 40 bzw. 60 Mio. Kelvin
• Heliumbrennen: mindestens 100 bzw. 180 bzw. 200 Mio. K
• Kohlenstoffbrennen: mindestens 500 bzw. 600 bzw. 800 bzw. 900 Mio. K
• Neonbrennen: mindestens 1,2 bzw. 1,6 bzw. 1,7 Mrd. K
• Sauerstoffbrennen: mindestens 1,5 bzw. 1,9 bzw. zwischen 1,5 und 2 bzw. 2,3 Mrd. K
• Siliziumbrennen: mindestens 2,7 bzw. 3,3 bzw. 4,1 Mrd. K

Dauer der Brennphasen

Die Dauer der jeweiligen Brennphase im Kern des Sterns beträgt:

Dichte im Kern

Zum Vergleich: Die Dichte von Kernmaterie beträgt etwa 2 · 10¹⁴ g/cm³; die Dichte von Gold beträgt bei 20 °C 19,32 g/cm³.

Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de

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Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 26.11. 2020