Woraus bestehen Sterne? Und woher wissen wir das?

1835 verkündete ein französischer Philosoph, dass wir nie erfahren würden, woraus Sterne bestehen. Er schrieb es schwarz auf weiß in ein ernsthaftes Buch, und fünfundzwanzig Jahre später widerlegten ihn zwei Deutsche in Heidelberg mit einer Laborflamme. Woraus bestehen Sterne also, und wie kann man das wissen, wenn noch nie jemand eine Probe genommen hat? 2026 können Astronomen die Zusammensetzung eines Sterns bestimmen, dessen Licht Tausende von Jahren zu uns unterwegs ist, ohne auch nur eine Sonde loszuschicken. Alles, was man braucht, steckt im Licht selbst, verpackt in schwarze Linien, die lange niemand lesen konnte.

Die schlechteste Prognose der Astronomie

Der Philosoph war Auguste Comte, und der Satz steht im zweiten Band seines Cours de philosophie positive, in der Lektion über Astronomie. Comte erklärt, dass wir über die Himmelskörper nur wissen können, was sich sehen lässt. Wir können uns vorstellen, schreibt er, ihre Formen, Entfernungen, Größen und Bewegungen zu bestimmen, „während wir niemals durch irgendein Mittel ihre chemische Zusammensetzung oder ihren mineralogischen Aufbau untersuchen könnten“. Und er legt nach: erst recht nicht die Natur der Lebewesen, die auf ihrer Oberfläche leben mögen.

Dumm war das nicht. 1835 klang es nach gesundem Menschenverstand: Um herauszufinden, woraus etwas besteht, nimmt man ein Stück davon, steckt es ins Reagenzglas und quält es. Mit einem Stern geht das nicht. Was Comte nicht wusste: Das Licht bringt die Zutatenliste gleich mit. Man musste nur lernen, sie zu lesen.

Schwarze Linien im Regenbogen der Sonne

Schickt man Sonnenlicht durch ein Prisma, fächert es sich zu einem Regenbogen auf, von Violett bis Rot, alle Farben hintereinander. Joseph von Fraunhofer fand mit viel feineren Instrumenten heraus, dass dieser Regenbogen nicht lückenlos ist. Er ist von einer ganzen Menge dunkler Linien durchzogen, haarfein und immer an derselben Stelle. Es fehlen ganz bestimmte Farben.

Diese Linien, die seinen Namen tragen, blieben lange ein Rätsel. Sie waren da, man konnte sie genau vermessen, aber niemand wusste, was sie bedeuten. Ein Strichcode ohne Scanner.

Eine Flamme in Heidelberg

Der Scanner kam Mitte des 19. Jahrhunderts an die Universität Heidelberg. Dort arbeiteten ein Chemiker, Robert Bunsen, und ein Physiker, Gustav Kirchhoff, zusammen. Laut der Universität untersuchte Bunsen von 1859 bis 1861 die Farben, die Flammen annehmen, wenn verschiedene Salze darin verbrennen, und aus dieser Arbeit heraus entdeckten die beiden gemeinsam die Spektralanalyse. Das Deutsche Patent- und Markenamt, das sie unter seinen großen Erfindern führt, datiert die gemeinsame Veröffentlichung der wissenschaftlichen Grundlagen auf 1860.

Die Idee lässt sich einfach erzählen. Jedes chemische Element sendet, wenn man es in einer Flamme erhitzt, nur Licht in ganz bestimmten Farben aus, immer in denselben. Und wenn Licht durch ein Gas aus diesem Element geht, schluckt das Gas genau diese Farben. Damit konnten Kirchhoff und Bunsen die Fraunhoferlinien erklären, schreibt die Universität Heidelberg. Die dunklen Linien der Sonne sind die Farben, die die Elemente in ihrer Atmosphäre beim Durchgang des Lichts verschluckt haben. Vergleich die Linien der Sonne mit denen der Laborflammen, und du weißt, was dort oben ist.

Warum jedes Element seinen eigenen Fingerabdruck hat

Warum schluckt jedes Element bestimmte Farben und andere nicht? Aus demselben Grund, aus dem Glas sichtbares Licht durchlässt. Die Elektronen eines Atoms können nur auf bestimmten Energiestufen sitzen, und um von einer zur anderen zu springen, brauchen sie einen Schubs von genau der richtigen Größe. Bringt das Licht genau diese Energie mit, nimmt das Elektron sie. Sonst lässt es das Licht vorbei.

Jede Farbe des Lichts entspricht einer anderen Energie, und jedes Element hat seine eigene Treppe aus Energiestufen, mit Stufenhöhen, die sich bei keinem anderen Element wiederholen. Deshalb schluckt jedes Element seinen eigenen Satz Farben. Natrium hat seinen, Eisen hat seinen. Ein Fingerabdruck, geschrieben in Licht, und er gilt in der Laborflamme genauso wie in einem Stern, Tausende Lichtjahre entfernt.

Zehn neue Elemente und Gold von der Sonne

Die Methode war so stark, dass sie anfing, Dinge zu finden, die niemand kannte. Laut Deutschem Patent- und Markenamt fanden Bunsen und Kirchhoff zwei neue Elemente im Mineralwasser der Maxquelle in Bad Dürkheim: Cäsium 1860 und Rubidium 1861. Ein Mineralwasser aus der Pfalz als Fundgrube für die Chemie. Innerhalb kürzester Zeit entdeckten andere Chemiker mit der Spektralanalyse zehn weitere Elemente.

Auf derselben Seite steht eine Anekdote, die Physiker gern am Stammtisch erzählen. Kirchhoffs Bankier soll bezweifelt haben, dass es etwas bringe, nach Gold auf der Sonne zu suchen, man könne es ja doch nicht herunterholen. Als Kirchhoff die Rumford-Medaille bekam, zeigte er sie seinem Bankier und sagte: „Sehen Sie, ich habe es geschafft, Gold von der Sonne zu holen.“ Wie jede gute Anekdote kommt sie mit einem „soll“, und genau so erzählt sie auch das Patentamt.

Ganz unfehlbar war allerdings auch Kirchhoff nicht. Dieselbe Seite des Patentamts hält fest, wie er sich die Sonne vorstellte: als flüssigen Feuerball mit einem fest glühenden Kern. Die Chemie der Sonnenatmosphäre hatte er geknackt, ihren Aufbau nicht. Dass die Sonne durch und durch aus Gas besteht, setzte sich erst später durch. Selbst die Leute, die Comte widerlegten, lagen also bei manchem daneben.

Das Element, das man auf der Sonne fand, bevor man es auf der Erde fand

Ihre beste Stunde hatte die Spektralanalyse bei einer Sonnenfinsternis. Am 18. August 1868 beobachtete der französische Astronom Jules Janssen eine totale Sonnenfinsternis in Indien mit einem Spektroskop. Laut Historikern der Pariser Sternwarte und einem Finsternis-Rundbrief der NASA sah er im Licht der Sonnenatmosphäre eine helle gelbe Linie, die zu keinem bekannten Element passte. Wenige Tage später machte der britische Astronom Norman Lockyer dieselbe Beobachtung.

Lockyer schloss, dass die Linie zu einem Element gehörte, das man auf der Erde noch nie gefunden hatte. Es bekam den Namen Helium, nach dem griechischen helios, Sonne. Die britische Royal Society of Chemistry schreibt es auf ihrer Seite zum Element: Der Name kommt daher, dass Helium zuerst in der Sonnenkorona nachgewiesen wurde.

Auf der Erde wurde es erst 1895 isoliert. In jenem Jahr gelang das William Ramsay in London und unabhängig davon Per Teodor Cleve und Nils Abraham Langlet in Uppsala in Schweden. Siebenundzwanzig Jahre, nachdem man es auf der Sonne gesehen hatte. Wenn man an Comtes Ankündigung denkt, hat das eine gewisse Ironie.

Die Doktorarbeit, die es nicht sagen durfte

Zu wissen, welche Elemente in einem Stern stecken, ist das eine. Zu wissen, wie viel von jedem, ist viel schwieriger, denn wie stark eine Linie ausfällt, hängt auch von der Temperatur ab. Diesen Teil löste eine junge Astronomin in Harvard, die in England aufgewachsen war: Cecilia Payne.

In ihrer Doktorarbeit Stellar Atmospheres, fertiggestellt am 1. Januar 1925, berechnete Payne unter Berücksichtigung der Sterntemperaturen, wie viel von jedem Element nötig war, um die beobachteten Linien zu erzeugen. Der Trick lag in einer unscheinbaren Zahl. Laut der American Physical Society ergab ihre Rechnung, dass bei 5700 Kelvin nur etwa eines von 200 Millionen Wasserstoffatomen in dem angeregten Zustand ist, der die sichtbaren Linien erzeugt. Die Linien des Wasserstoffs wirkten also schwach, obwohl Wasserstoff in riesigen Mengen da war. Wer nur auf die Stärke der Linien schaute, unterschätzte ihn gewaltig. Laut der American Physical Society kam sie zu dem Schluss, dass Wasserstoff und Helium, anders als auf der Erde, die vorherrschenden Elemente der Sonne und der Sterne sind.

Das widersprach dem, was fast alle annahmen, nämlich dass Sterne ungefähr aus demselben Zeug bestehen wie unser Planet. Henry Norris Russell, eine der großen Autoritäten seiner Zeit, war entschieden dagegen und überredete sie, diese Schlussfolgerung aus der Arbeit herauszunehmen. Payne hatte recht, wie sich zeigte. Der Astronom Otto Struve nannte ihre Arbeit später „die brillanteste Doktorarbeit, die je in der Astronomie geschrieben wurde“. 1956 wurde Payne die erste Professorin in Harvard und die erste Frau, die dort einen Fachbereich leitete.

Ein Jesuit und viertausend Sterne

Unterdessen machten sich andere daran, die Sterne nach ihren Spektren zu ordnen. Einer der Pioniere war der italienische Jesuit Angelo Secchi. Laut dem Nationalen Institut für Astrophysik Italiens begann er 1862 ein systematisches Programm zur Spektroskopie der Sterne und verfeinerte seine Einteilung nach und nach: zwei Typen 1863, drei 1867. Die Vatikanische Sternwarte erinnert daran, dass sein Katalog mehr als viertausend Sterne umfasste. Er gehörte zu den Ersten, die Sterne nach dem Aussehen ihrer Linien sortierten.

Woraus bestehen Sterne, in Zahlen

Mit all dem lässt sich die Frage in Zahlen beantworten. Laut NASA besteht die Sonne, gemessen an der Masse, zu 71 Prozent aus Wasserstoff, zu 27 Prozent aus Helium und zu 2 Prozent aus schwereren Elementen, mit kleinen Abweichungen je nach Schätzung. Nach Zahl der Atome gerechnet ist der Abstand noch größer: 91 Prozent Wasserstoff, 9 Prozent Helium und kaum 0,1 Prozent alles andere.

In dieses „alles andere“ fallen Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff oder Eisen, auf der Erde die Hauptdarsteller und auf der Sonne Statisten. Und das weiß man so genau dank derselben schwarzen Linien, die 1835 niemand lesen konnte.