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Wednesday, February 1, 2023

Leser*innenfrage: Was ist der Unterschied zwischen Emissionsnebeln und Reflexionsnebeln?

kosmischer nebel, emissionsnebel

Jemand bat mich, einmal etwas über den Unterschied zwischen den Reflexionsnebeln und den Emissionsnebeln zu schreiben. Selbstverständlich…

Beginnen wir ganz am Anfang. Nebel, der Überbegriff für alle leuchtenden, großflächigen Strukturen am Himmel, können die Geburtsstätte oder aber die Friedhöfe von Sternen sein. Denn nachdem Sterne wie unsere Sonne am Ende ihrer Existenz zum Roten Riesen geworden sind, stoßen sie ihre Hüllen von sich. Dadurch entsteht ein Nebel, wie beispielsweise der Ringnebel oder Jupiters Geist, in dessen Zentrum sich ein weißer Zwerg befindet, eine ausgebrannte Sternenleiche. Man spricht dann von Planetarischen Nebeln, die aber nichts mit Planeten zutun haben.

Kosmische Nebel

Größere Sterne, beispielsweise Betelgeuse, hingegen explodieren in einer Supernova, sie schleudern ihre Überreste bis weit in den Kosmos – aus ihnen entstehen in kosmischen Nebeln, stellaren Kreißsälen, dann neue Sterne. Ihr Staub bildet den Urstoff für eine neue Generation aus Sternen und die bei der Explosion entstandene Druckwelle dient zur Verdichtung.

Nun war die Frage aber der Unterschied zwischen einem Reflexionsnebel und einem Emissionsnebel.

Emissionsnebel

Emissionsnebel, wie beispielsweise der berühmte Orionnebel, emittieren selbst Licht. Die Mechanismen sind physikalisch recht komplex, auch die Quantenphysik spielt dabei eine Rolle.

In der Nähe eines Emissionsnebel müssen einige große, extrem heiße, bläuliche Sterne als Energiequelle existieren. Ihre Strahlung wird vor allem im UV-Bereich abgegeben, sie ist also sehr kurzwellig und je kurzwelliger Strahlung ist, desto mehr Energie trägt sie. Durch unseren Emissionsnebel rauschen nun also die hochenergetischen Photonen dieser Sterne und treffen dabei auf die Atome des Nebels. Nun gibt es zwei Möglichkeiten.

emissionsnebel, orionnebel
Ein klassischer Emissionsnebel: Der Orionnebel NGC 1976, eine Molekülwolke, die hauptsächlich vom nahen Stern Theta1 Orionis C ionisiert wird.

Wenn das Photon sehr energiereich ist (höher als die sogenannte Ionisationsenergie der Atome), kann es den Atomen ihre Elektronen entreißen, sie sind dann nicht mehr in der Atomschale, sondern schwirren frei herum. Wir haben dann positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen nebeneinander. Wenn die Ionen die Elektronen nun wieder zurück einfangen, müssen die Elektronen die Energie wieder abgeben, die sie von dem Photon erhalten haben – und zwar ein Form eines weiteren Photons, also Licht, das von dem Elektron emittiert wird. Dieser Vorgang nennt sich Rekombination und die entstandene Strahlung ist das Rekombinationsleuchten.

Das emittierte Photon kann dann eventuell wieder neue Atome ionisieren, eine Kettenreaktion.

Es gibt noch eine weitere Möglichkeit. Ein Elektron kann sich in der Atomhülle auf verschiedenen Schalen befinden, jede Schale hat eine bestimmte Energie. Wird ein Elektron nun ganz zufälliger Weise von einem Photon getroffen, dessen Energie exakt der Energiedifferenz zwischen der aktuellen Schale des Elektrons und einer höheren Schale entspricht, dann nimmt das Elektron diese Energie auf und springt auf die höhere Schale. Man spricht dann von einem angeregten Zustand des Elektrons. Die benötigte Energie kann auch von mehreren Photonen gemeinsam kommen, sie muss lediglich exakt passen.

Nun passiert dasselbe wie bei der Rekombination, die Elektronen verlassen ihren angeregten Zustand wieder und geben ihre Energie beim Zurückspringen in Form von Licht ab.

Diese quantenmechanische Prinzipien verleihen den Emissionsnebeln ihr wunderschönes Leuchten.

Reflexionsnebel

Ein Emissionsnebel emittiert immer selbst Licht, es handelt sich um Lichtquellen erster Ordnung. Reflexionsnebel hingegen erzeugen selbst kein Licht, es wird lediglich Licht anderer Quellen reflektieren, beziehungsweise gestreut, wodurch der Nebel sichtbar wird – eine Lichtquelle zweiter Ordnung.

Die Atome der Reflexionsnebel sind nicht geladen, es gibt also keine Ionen und kein Rekombinationsleuchten. Auch hier müssen in der Nähe aber Sterne existieren, die ja selbst leuchten, also Lichtquellen erster Ordnung sind. Die Partikel des Nebels streuen dieses Sternenlicht.

emissionsnebel, reflexionsnebel, hier der hexenkopfnebel
Ein klassischer Reflexionsnebel: Der Hexenkopfnebel IC 2118 streut das Licht des hellen Sterns Rigel. Charakteristisch ist die bläuliche Färbung.

Viele Emissionsnebel strahlen in den buntesten Farben: rot, gelb, grün, lila, türkis und viele weitere Farben lassen sich dort finden, abhängig von der Wellenlänge der emittierten Photonen. Reflexionsnebel sind jedoch in der Regel blau. Der Grund dafür liegt auf der Hand. Die Wellenlänge bläulichen Lichts wird stärker gestreut als die rötlichen Lichts, wie auch auf der Erde. Es ist derselbe Grund, warum auch der Himmel blau ist.

Die Unterscheidung zwischen Reflexions- und Emissionsnebel geht übrigens auf den berühmten Edwin Hubble zurück, er fand auch ein mathematisches Gesetz, mit dem er die scheinbare Größe von Reflexionsnebeln am Nachthimmel mittels der Helligkeit des Sterns berechnen konnte, dessen Licht der Nebel streut: Fünf mal der Logarithmus der scheinbaren Größe des Nebels entspricht der scheinbaren Helligkeit des Sterns mit negativem Vorzeichen plus einer Messkonstante k.

Wenn ihr euch fragt, was die Kürzel in den Bezeichnungen, wie IC oder NGC bedeuten: Das sind die Kürzel der entsprechenden Kataloge, in denen die Objekte gelistet sind. Über interessante Sternkataloge habe ich hier geschrieben.

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