Warum gibt es keine grünen Sterne?

Wer schon einmal in einer Winternacht das Sternbild Orion betrachtet hat, hat es vielleicht bemerkt: Nicht alle Sterne leuchten weiß. Beteigeuze zum Beispiel, der linke obere “Schulterstern” strahlt eindeutig rötlich; Rigel, rechts unten, eher weiß-bläulich. Auch andere helle Sterne zeigen Farbe. Manche schimmern rötlich, andere orange, gelb oder leicht blau. Nur eine Farbe fehlt Grün.

Die meisten Sterne im Sternbild Orion leuchten weiß-bläulich, Betelgeuse (links) ist eine Ausnahme.
Die meisten Sterne im Sternbild Orion leuchten weiß-bläulich, Betelgeuse (links) ist eine Ausnahme.

Warum gibt es keine grünen Sterne? Eigentlich sollten alle Regenbogenfarben vorkommen, denn die Farben der Sterne sind der sichtbare Ausdruck ihrer Temperatur. Genauer: Der effektiven Temperatur ihrer jeweiligen Photosphäre, also ihrer sichtbaren Oberflächen. Die Farbfolge entspricht dabei dem visuellen Spektrum: Kühle Sterne leuchten hauptsächlich rot, dann kommt orange, gelb, grün (ja, grün), blau und schließlich violett.

(Noch kühlere Sterne leuchten übrigens vor allem im Infrarot, also im Bereich der Wärmestrahlung. Die können wir fühlen, aber nicht sehen. Heißere Sterne haben ihr Strahlungsmaximum im ebenfalls nicht sichtbaren Ultraviolett. Das ist der Hautkrebsmacher.)

Der Begriff “Strahlungsmaximum” is wichtig. Wenn ich nämlich hier “leuchten hauptsächlich rot, blau, etc.” schreibe, heißt das nicht, dass die Sterne ausschließlich Licht der jeweiligen Farbe abstrahlen. Sterne sind glühende Kugeln aus ionisiertem Gas, sogenanntem Plasma. Jedes glühende Material, (das viel zitierte heiße Eisen in der Schmelze ist ein anderes Beispiel), emittiert Licht aller Wellenlängen und damit Farben.

Helle Sterne = schwarze Strahler

Physikalisch entspricht ihr Emissionsspektrum (also die Menge des abgestrahlten Lichts, aufgetragen gegen die Wellenlänge) dem eines sogenannten “schwarzen Strahlers” (auch “planckscher Strahler” genannt). (Warum man von einem “schwarzen” Strahler spricht, wo er doch eindeutig nicht schwarz leuchtet, hat historische Gründe, die hier nicht von Bedeutung sind.)

Mathematisch wird das durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben, grafisch sieht das so aus (die Kurven sind hier nur qualitativ zu verstehen, ich habe die Diagramme in diesem Artikel aus der Hand gezeichnet!):

(Qualitativer) Verlauf des Emissionsspektrums dreier planckscher Strahler verschiedener Tempertatur. Die Farben deuten die Lage der Farben im visuellen Spektrum an.
(Qualitativer) Verlauf des Emissionsspektrums dreier planckscher Strahler verschiedener Temperatur. Die Farben deuten das visuelle Spektrum an.

Die drei schwarzen Kurven in diesem Diagramm entsprechen drei Objekten (für uns: drei Sterne) mit einer Temperaturen von 3500, 5800 bzw. 7500 Kelvin. Was auffällt: Bei jeder Temperatur sendet der Stern Licht aller Wellenlängen und damit Farben aus. Bei einer bestimmten Wellenlänge ist die Strahlung aber besonders intensiv. Das ist das Strahlungsmaximum.

Zwischen der Lage des Strahlungsmaximums und der Temperatur des Sterns gibt es einen eindeutigen Zusammenhang: Das Maximum liegt umso weiter links (also bei kürzerer Wellenlänge), je höher die Temperatur ist. Wieder gibt es eine mathematische Formel, mit dem man ausrechnen kann, wo das Maximum bei einer Temperatur x liegt. Physiker rechnen eben gerne. Die Formel heißt “Wiensches Verschiebungsgesetz” (nach einem Physiker namens Wien, nicht der Stadt). Sie lässt sich aus dem Planckschen Strahlungshesetz herleiten.

Für kühle Sterne, deren Temperatur bei etwa 3000 Kelvin liegt, ergibt diese Rechnung ein Maximum im roten Spektralbereich. Bei heißen Sternen (etwa bei 7000 K) liegt es im Blauen. Bei Sternen mit Temperaturen zwischen diesen beiden Werten dazwischen, also im Bereich gelb und grün.

Und es gibt sie doch!

Überraschung! Es gibt also “grüne” Sterne! Zumindest in dem Sinne, dass manche Sterne ihr Strahlungsmaximum im grünen Spektralbereich haben. Und jeder kennt sogar einen grünen Stern: Die Sonne.

Natürlich sieht die Sonne nicht grün aus, sondern weiß. (Gelb oder rot, wenn sie tief am Horizont steht, aber das ist ein Effekt der Erdatmosphäre). Aber wir kommen der Antwort auf die eingang gestellte Frage näher.

Die Sonne ist grün, gelb, weiß oder was?
Die Sonne ist grün, gelb, weiß oder was?

Die Sonne hat eine Effektivtemperatur von etwa 5800 K und ihr Strahlungsmaximum liegt damit wirklich im grün-blauen Bereich. Das entspricht der mittleren Kurve im Diagramm oben. Dass wir sie dennoch nicht grün, sondern weiss sehen, muss einen anderen Grund haben.

Der Grund liegt im Kopf. Genauer in der Art und Weise, wie Augen und Gehirn Farben wahrnehmen.

Die Netzhaut ist eine lichtempfindliche Schicht am rückseitigen Ende des Auges. Sie ist die “Leinwand”, auf die die Linse ihr Bild projiziert. Sie besteht aus vielen kleinen lichtempfindlichen Sinnenszellen; die “Pixel” unseres Auges, wenn man so will. Dabei unterscheidet man zwei Typen: Die “Stäbchen”, die für das Nachtsehen bei geringer Umgebungshelligkeit zuständig sind, und die “Zapfen”.

Die Farbkamera im Kopf

Die Zapfen sind nur bei ausreichender Helligkeit richtig aktiv, also am Tag. Sie sind auch verantwortlich für unsere Fähigkeit, Farbe zu sehen. (Die Stäbchen sind zwar lichtempfindlicher, aber farbenblind. Das Auge verwendet sie nur bei geringer Helligkeit, was erklärt , warum man dann kaum noch Farben sieht: Nachts sind alle Katzen grau, wie es so schön heißt.)

Uns interessieren hier nur die Zapfen. Von denen gibt es wiederum drei Typen. Sie unterscheiden sich durch die Wellenlängen, bei denen sie besonders lichtempfindlich sind: 455 nm, 535 nm und 563 nm. Diese Wellenlängen entsprechen den Farben Blau, Grün und Gelb.

Das ist ähnlich wie bei einem Kamerachip, der Pixel für die Farben Rot, Grün und Blau besitzt. Fällt Licht auf die Zapfen, dann werden die drei Zapfenarten unterschiedlich stark stimuliert – je nach dem, welche Wellenlängen, also Farben, das Licht enthält. Aus der Kombination der drei Zapfensignale entsteht unsere Farbwahrnehmung. Werden die drei Zapfenarten mehr oder weniger gleich stark angeregt, sehen wir weißes Licht, abgestuft durch Grautöne.

Wenn wir also fragen, wie wir ein bestimmtes Objekt farblich wahrnehmen, müssen wir einerseits wissen, welche Wellenlängen dieses Objekt abstrahlt und mit welchen Anteilen. Andererseits müssen wir wissen, wie unsere Sensoren, die Augen, dieses empfangene Lichtspektrum verarbeiten. Das zeigt die folgende Abbildung, in der die spektrale Empfindlichkeit der drei Zapfenarten dargestellt ist:

Empfindlichkeitsfunktion der Zapfenarten
Empfindlichkeitsfunktion der Zapfenarten (schematisch)

Es fällt auf, dass die Empfindlichkeitsfunktionen aller drei Zapfenarten überlappen, vor allem die der grün- und der gelb-empfindlichen. Schauen wir jetzt noch einmal das Eingangsspektrum (die Abbildung oben) an. Für ein sonnenähnliches Spektrum, also etwa von 5800 Kelvin, liegt das Maximum zwar um grünen Bereich. Seine “Spitze” ist aber nicht sehr steil: Gelbe, rote und blaue Wellenlängen kommen etwas weniger vor, aber nicht viel weniger.

Damit sind wir der Lösung des Rätsels nahe.

Manche Sterne, auch die Sonne, haben zwar ihr Strahlungsmaximum im grünen Bereich. Das aber liegt in der Mitte des visuellen Spektrums und entspricht einem Planckspektrum. Das heißt, es hat ein eher flaches Maximum und enthält nicht nur grünes, sondern auch blaues, gelbes und rotes Licht, und das nicht zu knapp.

Gleichzeitig überlappen sich die Empfindlichkeiten der drei Zapfenarten in unseren Augen. Aus dem Lichtspektrum der Sonne machen unsere Sehorgane also Weiß. Anders ausgedückt: Um die Sonne grün zu sehen, müsste entweder das Maximum ihrer Strahlung viel schärfer sein also viel mehr grün im Verhältnis zu rot und blau enthalten, oder die “Farbauflösung” unserer Augen müsste besser sein. Beides hat Mutter Natur aber nicht so vorgesehen.

Die Animation zeigt die Planckschen Strahlungskurven für schwarze Strahler (oder Sterne) für unterschiedliche Temperaturen. Man achte auf den kleinen kasten über dem Graph: Dieser stellt die Farbwahrnehmung dar. Wenn die Temperatur ezwa 5800 K erreicht wechselt die Farbe von gelb über weiß nach blau - ohne grün! Quelle: Dariusz Kowalczyk
Die Animation zeigt die Planckschen Strahlungskurven für schwarze Strahler bei unterschiedlichen Temperaturen. Man achte auf den kleinen Kasten: Der stellt die Farbwahrnehmung dar. Erreicht die Temperatur etwa 5800 K, wechselt die Farbe von gelb über weiß nach blau – ohne grün! Quelle: Dariusz Kowalczyk

Berücksichtigt man außerdem, dass unsere Augen nicht auf die Energie des Lichts reagieren, sondern auf die Intensität, also auf die Anzahl der Photonen (=Lichtteilchen) einer bestimmten Wellenlänge (je mehr grüne Photonen, desto heller erscheint der Grünanteil, und so weiter) , wird das Ganze noch deutlicher. Die Grafik in der ersten Abbildung zeigt das übliche, in den meisten Lehrbüchern dargestellte Planck-Spektrum. Darin ist die Energie in Abhängigkeit der Wellenlänge aufgetragen. Verwendet man statt dessen die Zahl der Photonen und trägt diese gegen die Wellenlänge auf, (also das, was unsere Augen wirklich sehen), wird das Maximum sogar noch flacher.

Fazit: Wir sehen keine grünen Sterne, weil das Licht der Sterne dem Planckschen Strahlungsgesetz folgt, und das hat bei ca. 5800 K ein ziemlich breites Maximum in der Mitte des visuellen Spektrums. Es enthält deshalb sehr viele Photonen kürzerer und längerer Wellenlänge. Unsere Augen sind nicht gut genug, um diese Unterschiede farblich aufzulösen.

Sterne, deren Strahlungsmaxima an den Enden des visuellen Spektrums liegen, haben einen deutlichen Überschuss von rotem oder blauem Licht. Sie stimulieren deshalb die drei Zapfenarten unserer Netzhaut unterschiedlich stark. Deshalb können wir rote, gelbe und blaue Sterne erkennen. Alle anderen sind für uns weiß.

2 thoughts on “Warum gibt es keine grünen Sterne?

  1. Thomas Schiffer 2018-11-27 / 18:09

    Hallo Jan,
    Deine Beiträge, Recherchen und Dokumentationen sind ein Genuss zum lesen und nachdenken!
    Dafür möchte hier mal ein großes “DANKESCHÖN” schreiben und das ganze ist noch kostenfrei!
    Du hast eine Frage beantwortet, die kaum einer stellt oder mit denen Kinder einen sprachlos machen. Zum Glück gibt es den „Green Flash“ für unsere Sonne (auch ein wenig grün, wenn auch anders verursacht 🙂 )
    Lokal sind wir hier in der Nebelphase (eben Eifelwetter) und Dein Orion bringt uns hier in Wallung, so ganz nebenbei erwähnt 🙂
    Besten Dank und CS (gerade -1 Grad // Nebel), Thomas

    • janhattenbach 2018-11-27 / 20:36

      Keine Bange, der Orion ist noch da, wovon ich mich eben noch mal selbst überzeugt habe!

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