Das Universum – Einführung und Übersicht Das Universum

2011 - 2017
J. Herlet
Das Universum – Einführung und Übersicht
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Vom Weltbild der Antike zur modernen Kosmologie
Sterne wie Staub – die großräumige Struktur des Universums
Der Urknall und das sich ausdehnende Universum
Das beobachtbare Universum
Der Lebenszyklus der Sterne
Kosmologie: Methoden und Grundlagen
Das Universum – Vergangenheit und Zukunft
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Das expandierende Universum
Die kosmische Hintergrundstrahlung
Kosmologische Modelle
Dunkle Materie und Dunkle Energie
Ergebnisse der beobachtenden Kosmologie
Der Urknall
a. Allgemeine Überlegungen und Grenzen der Theorie
b. Die Physik für den Urknall
c. Die erste Sekunde
7. Die Entstehung der Materie (die ersten 3 Minuten)
8. Die kosmische Inflation
9. Entstehung der Sterne und Galaxien
10. Die Zukunft des Universums
11. Die Geschichte und Zukunft des Kosmos im Zeitraffer
Der Lebenszyklus der Sterne
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Zusammenfassung
Was wir aus dem Licht der Sterne erkennen können
Die Klassifikation der Sterne im HR-Diagramm
Die Energie der Sterne
Die Entstehung der Elemente
Die Spätphase eines Sterns (Rote Riesen und Weiße Zwerge)
Novae, Supernova, Neutronensterne und Schwarze Löcher
Exkurs in die Physik:
I. Das Universum – Einführung
1. Vom Weltbild der Antike zur modernen Kosmologie
Das Weltbild von der Antike bis ins Mittelalter war geprägt von der Vorstellung, dass sich die
Erde fest im Mittelpunkt der Welt befindet. Als Begründer dieses geozentrischen Weltbilds
gilt Claudius Ptolemäus (ca. 150 n. Chr.). Mond, Sonne und Planeten sollten die Erde auf
Kurvenbahnen umkreisen, ebenso die Fixsterne in der äußersten Sphäre des kugelförmigen
Himmelsgewölbes. Das geozentrische Weltbild ist nicht identisch mit dem Konzept der
flachen Erde, die Kugelform der Erde wurde bereits seit dem Altertum, u.a. von Pythagoras,
Ptolemäus und Aristoteles vertreten. Auch gab es in vorchristlicher Zeit bereits griechische
Naturphilosophen (Aristarchos von Samos, Seleukos von Seleukia), welche die These
vertraten, dass nicht die Erde, sondern die Sonne im Mittelpunkt des Universums steht. Dieses
heliozentrische Weltbild, gemäß dem sich die Planeten um die Sonne bewegen und die Erde
sich um die eigene Achse dreht, wurde 1509 von Nikolaus Kopernikus wieder entdeckt und gegen langanhaltenden Widerstand der Kirche – etwa hundert Jahre später durch genaue
astronomische Beobachtungen von Galileo Galilei und Johannes Kepler (Planetengesetze)
untermauert.
Über die mögliche Entfernung der Sterne und ihre Natur ließ sich bis ins 18. Jahrhundert nur
spekulieren. Giordano Bruno setzte die Fixsterne mit der Sonne gleich und vermutete dort
weitere Planeten und womöglich sogar Leben. In seinem Weltbild stand nicht einmal die
Sonne im Mittelpunkt des Universums. Er wurde nicht nur für diese Thesen im Jahr 1600 in
Rom öffentlich verbrannt.
Dass Sterne – wie unsere Sonne – aus heißem Gas bestehen, wurde erst vor etwa 300 Jahren
erkannt. Erst seit etwa hundert Jahren hat man eine genauere Kenntnis von der Größe und
Struktur unserer Galaxis – weiß man, dass unser Sonnensystem nicht im Mittelpunkt, sondern
in einem Randgebiet unserer Galaxis steht. Alles was wir darüber hinaus heute über die
Entstehung und den Aufbau des Universums sowie über den Lebenszyklus und die
Energiequelle der Sterne wissen wurde erst innerhalb der letzten hundert Jahre erkannt.
2. Sterne wie Staub - die großräumige Struktur des Universums
Die Sterne, die wir am Himmel sehen, sind ferne Sonnen, wie unsere Sonne. Sie sind alle in
unserer Galaxis, die wir auch „unser Milchstraßensystem“ nennen, ein Sternensystem von
mehr als 100 Milliarden Sonnen, das sich - von der Seite betrachtet – als eine flache, in der
Mitte etwas verdickte Scheibe von etwa 100.000 Lichtjahren Durchmesser zeigen würde, von
oben betrachtet, als ein gigantisches Spiralrad, bei dem sich aus einen hell leuchtenden Kern
von extrem dicht gepackten Sternen und interstellaren Gaswolken mehrere Arme spiralförmig
nach außen drehen.
Wir wissen auch, dass unser Sonnensystem zwischen zwei äußeren Spiralarmen liegt, das
glitzernde Sternenband, das wir in klaren Nächten als „Milchstraße“ am Himmel sehen, sind
die Sterne, Gas- und Staubwolken dieser Spiralarme. Das Massenzentrum unserer Milchstraße
- das galaktisches Zentrum - liegt in Richtung des Sternbilds Schütze. Dort erscheint das
sichtbare Band der Milchstraße am dichtesten.
Noch vor 100 Jahren konnten die Kosmologen nur spekulieren, ob es jenseits unserer Galaxis
weitere Welteninseln gibt. Heute wissen wir, dass das sichtbare Universum Abermilliarden
solcher Galaxien unterschiedlicher Formen enthält. Diese gruppieren sich in Galaxienhaufen
von bis zu einigen Hundert Galaxien, die sich zu noch größeren Gebilden, Superhaufen und
Filamenten zusammenschließen. Dazwischen gibt es aber auch riesige leere Räume (Voids).
Unsere Galaxis gehört zusammen mit dem benachbarten Andromeda-Nebel zur lokalen
Gruppe, die eine Ausdehnung von etwa 5 Millionen Lichtjahren besitzt und ca. 40 weitere
kleinere Galaxien enthält, wie z.B. auch die beiden Magellansche Wolken. Der Andromeda-
Nebel ist die größte Galaxis der lokalen Gruppe. Er ist etwa 2,5 Millionen Lichtjahre von
unserer Milchstraße entfernt und an klaren Nächten als lichtschwacher Punkt im Sternbild
Andromeda mit bloßem Auge sichtbar. . Die beiden Galaxien rasen mit etwa 150 km/s
aufeinander zu und werden in etwa 3-4 Milliarden Jahren miteinander verschmelzen. Die
lokale Gruppe ist Teil eines noch größeren Galaxienhaufens, der Virgo-Gruppe, die mehrere
hundert Galaxien beinhaltet. Galaxienhaufen und Superhaufen sind die größten stabilen
Strukturen im Universum, sie werden durch ihre Gravitation zusammengehalten und rotieren
(überlagert von Eigenbewegungen der Galaxien) um ihr gemeinsames Gravitationszentrum.
3. Der Urknall und das sich ausdehnende Universum
Allein die Tatsache, dass es nachts dunkel wird, beweist, dass das Weltall nicht unendlich alt
und unendlich groß sein kann. Denn in diesem Fall wäre – eine großräumige Gleichverteilung
der unendlich vielen Sterne vorausgesetzt - jeder Punkt des Nachthimmels erfüllt mit dem
Licht von Sternen, deren Licht uns heute erreicht.
Wie wir heute wissen, begann das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren mit einem
„Urknall“ und dehnt sich seither aus. Diese Expansion des Universums zeigt sich darin, dass
alle Galaxien des Universums auseinander streben und zwar umso schneller je weiter sie
bereits voneinander entfernt sind. Dabei bewegen sich die Galaxien nicht von einem Zentrum
im Raum fort, sondern der Raum selbst dehnt sich aus.
Diese Ausdehnung unseres dreidimensionalen Raumes können wir uns anschaulich nicht
vorstellen sondern nur anhand eines zweidimensionalen Analogons veranschaulichen: wenn
wir ein elastisches Gummituch an allen Ecken auseinander ziehen oder einen Luftballon
aufblasen, so würden schwarze Punkte auf der Oberfläche des Tuches bzw. des Luftballons
auseinander gezogen, d.h. sich alle voneinander entfernen, und zwar in einer bestimmten Zeit
umso mehr, je weiter die Punkte bereits auseinander liegen, denn jede Entfernungseinheit
zwischen zwei Punkten liefert ein Stück Dehnung hinzu. Aus der heute relativ genau
messbaren Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien kann man zurück rechnen auf den Zeitpunkt,
als alle Materie des Universums noch auf engstem Raum verdichtet war und durch einen
Urknall auseinander getrieben wurde. Das so ermittelte Alter des Universums beträgt etwa
13,8 Milliarden Jahre. Dies stimmt auch mit der Beobachtung zusammen, dass die ältesten
bekannten Sterne höchstens 13 Milliarden Jahre alt sind. Über die Natur den Urknalls, die
Herkunft der „Urknall-Energie“ gibt es heute nur Spekulationen. Den Urknall sollte man sich
auch nicht als eine Explosion von Materie in einem bestehenden Raum vorstellen, der Urknall
bezeichnet die gemeinsame Entstehung von Materie, Raum und Zeit.
Eine theoretische Begründung für ein expandierendes Universum liefert die Allgemeine
Relativitätstheorie (ART) von Albert Einstein. Aus dieser Theorie lässt sich ableiten, dass ein
Universum, in dem die Masse und Energie im Großen gleichförmig verteilt ist, entweder
expandieren oder kontrahieren würde. Ein expandierendes Universum, wie wir es beobachten,
würde danach - abhängig von der Energiedichte des Universums - entweder ewig weiter
expandieren oder – wenn die Gravitationskräfte zwischen den Massen und Energien des
Universums stark genug sind um die Ausdehnung des Universums in endlicher Zeit zu
stoppen - eines Tages wieder in sich zusammenfallen. Nach der ART beginnt der Urknall aus
einer Raum-Zeit-Singularität, d.h. je näher man dem eigentlichen Urknall kommt, umso
kleiner ist der Raum, in den die gesamte Massen-Energie des Universum gepackt ist, und
umso langsamer vergeht die Zeit. Für den „Zeitpunkt 0“ sind Raum und Zeit nicht definiert.
Der Urknall selbst und die ersten Sekundenbruchteile danach sind Rahmen der heutigen
Physik nicht beschreibbar. Auch was vor dem Urknall war, ob es ein „davor“ überhaupt gab,
wissen wir nicht. Es gibt allerdings einige Theorien und Modelle, die auch Teilerklärungen für
heute beobachtbare Phänomene liefern können, dafür aber neue Fragen und Probleme
aufwerfen und erst recht nicht bewiesen sind. Die Urknall-Theorie selbst, also die Aussage,
dass das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren aus einem extrem verdichteten Zustand
heraus entstand und sich seither ausdehnt, gilt heute als gesichert.
Neben der durch die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien manifestierten Expansion des
Universums und der theoretischen Begründung durch die ART, gelten vor allem die
Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung und die Häufigkeitsverteilung der leichten
chemischen Elemente (Wasserstoff, Deuterium, Helium) im Universum als weitere
Bestätigung der Urknall-Theorie.
Die kosmische Hintergrundstrahlung ist die elektromagnetische Strahlung, die vom Urknall
übrig geblieben ist. Sie wurde mit exakt den Eigenschaften vorhergesagt, mit denen sie später
gefunden wurde. Auch die Häufigkeit der leichten Elemente im Universum stimmt exakt mit
den Vorhersagen überein, die sich aus der Urknall-Theorie ableiten lassen. (s. Abschnitt II)
Was war vor dem Urknall?
Wenn Raum und Zeit erst beim Urknall entstanden sind, dann gibt es kein “davor” und die
Frage kann nicht gestellt werden. Ist unser Universum ist nur Teil eines umfassenderen
Multiversums und waren es irgendwelche Prozesse in diesem Multiversum, die zum Urknall
geführt haben, dann stellt sich sofort die Frage: Wie ist das Multiversum entstanden? Wenn
unser Universum zyklisch ist, sich also zum Beispiel von einem Punkt aus immer weiter
ausdehnt, dann wieder in sich zusammenfällt bis es wieder ein Punkt ist und dann alles wieder
vorne beginnt, so kommt man zur Frage, wann und wie alles begann, oder “Wie ist ALLES
entstanden? Warum existiert etwas und nicht nichts?” Und egal wie man diese Frage zu
beantworten sucht, am Ende landet man bei einer unbefriedigenden Situation (infiniter
Regress oder Dogma)
4. Das beobachtbare Universum
Je weiter entfernt wir in das Weltall hinaus schauen, umso weiter schauen wir auch zurück in
die ferne Vergangenheit unseres Universums. Das Licht einer 8 Milliarden Lichtjahre
entfernten Galaxie, das uns heute erreicht, wurde vor ebenso viel Jahren ausgesendet. Wenn
wir Quasare – das sind vermutlich die Kernbereiche besonders heller, aktiver Galaxien aufzeichnen, die 13 Milliarden Lichtjahre entfernt sind, dann schauen wir zurück bis zu einer
Zeit einige hundert Millionen Jahre nach der Entstehung des Universums aus dem Urknall.
Die ungeheuren Entfernungen solcher Galaxien lassen sich nach zwei Methoden bestimmen.
Zum einen kann man die Entfernung stellarer Objekte in diesen Galaxien berechnen, wenn
man ihre tatsächliche Leuchtkraft ermitteln kann. Dies ist möglich bei einer gewissen Klasse
von Sternen mit periodischen Helligkeitsschwankungen sowie bei einem gewissen Typ von
Sternexplosionen (Supernovae), die jeweils an ihrer spezifischen Lichtkurve erkennbar sind.
Da die Leuchtkraft mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, kann man dann aus dieser und
der hier gemessenen Leuchtkraft auf die Entfernung schließen.
Eine weitere Methode beruht auf unserer heutigen Erkenntnis, dass sich das Universum
ausdehnt. Je länger das Licht entfernter Objekte zu uns unterwegs war, um stärker wurden die
Lichtwellen durch das sich ausdehnende Universum gedehnt. Diese Dehnung führt dazu, dass
sich bestimmte charakteristische Linien im Lichtspektrum dieser Objekte zum langwelligen
(roten) Ende hin verschieben. Aus dem Grad der Verschiebung kann abgeschätzt werden, wie
lang das Licht dieses Objekts zu uns unterwegs war und damit, wie weit entfernt es ist.
Der Beobachtungshorizont begrenzt den Teil des Universums, von dem uns seit dem
Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren Informationen (Licht) erreicht haben kann. Die Entfernung
bis zum Beobachtungshorizont ist allerdings deutlich weiter als 13,8 Milliarden Lichtjahre. Es
ist zu berücksichtigen, dass sich das Universum weiter ausgedehnt hat, während sich das Licht
vom Beobachtungshorizont zu uns bewegt hat (bereits zurückgelegte Strecken sind
nachträglich länger geworden). Die heutige Entfernung zum Beobachtungshorizont beträgt ca.
46,5 Milliarden Lichtjahre. Objekte am Beobachtungshorizont bewegen sich heute mit mehr
als 3-facher Lichtgeschwindigkeit von uns weg. Dies steht jedoch nicht im Widerspruch zu
Einsteins Relativitätstheorie, nach der sich im leeren Raum nichts schneller als Licht
fortbewegen kann. Denn bei dieser Fluchtgeschwindigkeit handelt es sich ja nicht um eine
Informationsübertragung im Raum, sondern um die die Expansion des Raumes selbst.
Neuere Information kann uns vom Beobachtungshorizont heute daher nicht mehr erreichen.
Wie groß das Universum wirklich ist, wissen wir nicht. Das Universum kann unendlich groß
sein, es kann aber auch - analog zur Oberfläche einer Kugel – endlich sein und ohne Grenzen
(s. Abschnitt II).
5. Der Lebenszyklus der Sterne
Aus dem Urknall ist ein Universum hervorgegangen, in dem sich zunächst nur gasförmige
Wolken aus Wasserstoff (75%) und Helium (25%) bildeten, den beiden leichtesten Elementen.
Durch die Wirkung der Schwerkraft verdichteten sich die Wasserstoff- und Helium-Gase des
frühen Universums zu ersten Sternen und Galaxien. Das Innere der zu Sternen kollabierenden
Gaswolken erreichte durch den Gravitationsdruck so hohe Temperaturen und Dichten, dass
atomare Verschmelzungsprozesse zündeten, bei denen Schritt für Schritt alle schwereren
Elemente, wie z.B. Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff bis hin zu Eisen entstanden.
Massereiche Sterne verbrennen schnell, Sterne von 10-facher Sonnenmasse haben ihren
Brennstoffvorrat schon nach 100 Millionen Jahren aufgebraucht und enden dann in einer
gewaltigen Supernova-Explosion. Bei diesen Supernovae wird der größte Teil des Sternes mit
allen darin enthaltenen Elementen als Gas und Staub wieder an den Weltraum abgegeben, wo
er als Baumaterial für die Bildung nachfolgender Sterngenerationen und Planeten verwendet
werden kann. Alle Atome der lebenden Materie, die schwerer als Wasserstoff sind, wurden
daher im Inneren längst erloschener Sterne gebrannt. Der Wasserstoff, der in Form von
Wasser und anderen molekularen Verbindungen in uns steckt, entstand jedoch bereits in den
ersten Minuten nach dem Urknall.
So entstand auch das Sonnensystem mit seinen Planeten vor etwa 5 Milliarden Jahren aus
einem interstellarem Gas- und Staubnebel, der durch seine eigene Gravitation kollabierte.
6. Kosmologie: Methoden und Grundlagen
Bei Betrachtung kosmischer Dimensionen haben wir es mit unvorstellbar großen und
unvorstellbar kleinen Dimensionen zu tun. Wir nutzen daher 10-er Potenzen um Zahlenwerte
anzugeben, 101 ist 10, 109 ist eine 1 gefolgt von 9 Nullen, also 1 Milliarde, 1015 = 106+9 ist 1
Million mal 1 Milliarde usw. Negative Potenzen bedeuten den Kehrwert, also z.B. 10-9 ist
1/109, also 1 Milliardstel.
Dimensionen des heutigen Universums:
Das beobachtbare Universum hat nach aktuellen Abschätzungen einen Durchmesser von 93 x
109 Lichtjahren (~1022 km), es enthält bis zu 100 Milliarden (1011) Galaxien, die sichtbare
Materie in Form von Sternen, Gas und Staub darin hat eine Gesamtmasse von ca. 1053 Kg,
daraus ergibt sich die durchschnittliche Dichte 4,7× 10-30 g/cm3 (oder 1-2 Atomen pro 10 m3).
Dimensionen des Urknalls:
Die sogenannte Planck-Zeit und Planck-Länge definieren die Grenzen für Raum- und
Zeitabstände, für die physikalische Aussagen noch möglich sind. Zur Planck-Zeit von 10-43
Sekunden war die gesamte Masse und Energie des Universums in einem unvorstellbar kleinen
Raum verdichtet. Die Planck-Länge von 10-35 m ist die Entfernung, die Licht in der PlanckZeit zurücklegen kann; sie ist umso viel kleiner als der Durchmesser eines Haares, wie dieser
kleiner ist als das beobachtbare Universum.
Kosmologie als Wissenschaft beruht auf 4 Säulen: Beobachtung, Theorie, Experiment (z.B.
Teilchenbeschleuniger) und Computer Simulationen (z.B. Kosmologische Modelle)
Was wir beobachten können:
Elektromagnetische Strahlung: in ihrer gesamten Bandbreite von Mikrowellen über
Radiowellen, sichtbares Licht bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlen ist die wichtigste
kosmische Informationsquelle. Quellen sind Sterne, Galaxien, heiße Gase in und außerhalb
der Galaxien und auch der Urnebel des Universums selbst. Ultraviolett-, Röntgen- und
Gammastrahlung (Wellenlängen < 300 nm) sind nur außerhalb der Erdatmosphäre zu
empfangen. Die Atmosphäre ist für den Bereich des sichtbaren Lichtes, sowie der nahen
Infrarotstrahlung und Radiowellen (Fenster 15 MHz-100 GHz) nahezu durchsichtig.
Gravitationswellen: können z.B Auskunft geben über Kollisionen großer Massen im
Universum; zuletzt beobachtet bei Verschmelzung stellarer Schwarzer Löcher.
Teilchenstrahlung:
Neutrinos, entstehen z.B. in sehr großer in großer Anzahl bei einer Supernova, aber z.B. bei
den Kernumwandlungen im Inneren der Sonne. Sie sind aber kaum nachweisbar, da sie nur
extrem selten mit anderen Materieteilchen zusammenstoßen.
Sonnenwind, von der Sonnenoberfläche aufgrund des Strahlendrucks ausgehender ständiger
Strom geladener Teilchen (überwiegend Wasserstoff- und Helium-Kerne sowie Elektronen).
Die Sonne verliert durch den Sonnenwind pro Sekunde etwa eine Million Tonnen ihrer Masse.
Er ermöglicht Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung des Urnebels und ist z.B.
verantwortlich für die Entstehung von Polarlichtern.
Kosmische Strahlung: galaktischen oder extra-galaktischen Ursprungs: sehr energiereiche,
Strahlung, zu 99% aus Protonen und He-Kernen; mögliche Quellen sind Supernovae und
Materieausstöße (Jets) aus rotierenden Akkretionsscheiben um Pulsare oder schwarze Löcher.
Kosmologische Modelle: die Entstehung und Entwicklung des Universums und der
Lebenszyklus der Sterne werden anhand von dynamischen Modellen beschrieben, die gewisse
Annahmen über den Anfangszustand und auch gewisse Vereinfachungen der komplexen
Struktur des betrachteten physikalischen Systems (Universum oder Stern) beinhalten. Diese
Modelle werden danach bewertet, ob Sie mit der Wirklichkeit, die wir heute beobachten,
übereinstimmen, d.h. ob die Entwicklung des Modells nach den uns bekannten physikalischen
Gesetzen zu einer Struktur und materiellen Zusammensetzung des (Modell-) Universums oder
(Modell-) Sternes führen, die unseren Beobachtungen entspricht. „Die ganze Geschichte des
Universums wird akkurat durch einfache Naturgesetze beschrieben, die uns die Zukunft aus
der Vergangenheit und die Vergangenheit aus der Gegenwart vorhersagen lassen“ (MaxTeg).
Für die Überprüfung unserer Modelle von Kosmos und Sternen ist die moderne ComputerTechnologie sehr wichtig geworden, denn sie ermöglicht es den Ablauf von Jahrmilliarden auf
Modellebene in Stunden oder Tagen durchzurechnen.
Benötigte Physik: Das Universum im Großen wird heute beherrscht von der Gravitation
zwischen seinen großen Massen (stellare Objekte, Galaxien). Die Gravitation bestimmt die
Raum-zeitliche Struktur und Entwicklung des Universums. Die hierfür benötigte Physik ist
die der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART), welche Zusammenhänge und
Wechselwirkungen zwischen Raum, Zeit, Masse und Energie beschreibt. Für das Verständnis
der Prozesse im Inneren der Sterne und in der frühen Phase des Universums, als alle Energie
auf engstem Raum zusammengepresst war, benötigt man jedoch vor allem auch die
Quantentheorie. Sie ermöglicht eine Beschreibung der Natur auf atomarer und subatomarer
Ebene. An ihrer Nahtstelle, d.h. wenn eine starke Gravitationskraft auf kleinstem Raum wirkt,
sind diese beiden Theorien jedoch nicht vereinbar. Die ART beschreibt die Gravitationskraft
und baut auf einem homogenen Raum-Zeit-Kontinuum auf, die Quantentheorie beschreibt die
anderen bekannten Naturkräfte und beinhaltet auf kleinsten Skalen eine unscharfe, vom Zufall
geprägte Raum-Zeit-Struktur. Alle kosmischen Modelle und Theorien beruhen auf der
Annahme, dass die bekannten Naturgesetze universell sind, d.h. immer und überall im
Universum gelten bzw. galten.
II. Das Universum – Vergangenheit und Zukunft
Das Standardmodell der Kosmologie (auch „Urknalltheorie“ ) ist die heute anerkannte
kosmologische Theorie, nach der sich das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren aus
einem nahezu punktförmigen und daher unvorstellbar heißen und dichten Beginn durch einen
„Urknall“ genannten Auslöser expansiv zum heutigen Universums entwickelt hat.
Die theoretische Stütze des Modells ist die Allgemeine Relativitätstheorie (ART).
Es wird darüber hinaus vor allem durch drei unabhängige Beobachtungstatsachen gestützt:
• die Expansion des Universums
• die kosmische Hintergrundstrahlung
• die Häufigkeitsverteilung der leichten Elemente im Universum
Die ältesten bisher entdeckten Sterne im Universum werden auf Basis von Spektralanalysen
in Übereinstimmung mit dem Modell auf ein Alter von 13,2 - 13,6 Milliarden Jahre geschätzt.
Das Modell beruht auf 2 Grundannahmen: der Universalität der Naturgesetze und dem
sogenannten „kosmologischen Prinzip“, welches in Übereinstimmung mit allen bekannten
Beobachtungsdaten besagt, dass die Masse-Energie-Verteilung im Universum auf großen
Skalen homogen ist.
Als Begründer der Urknalltheorie gelten Georges Lemaître (1931) und George Gamow.
1. Das expandierende Universum
1929 entdeckte der britische Astronom Edwin Hubble im Spektrum ferner Galaxien eine
sogenannte Rotverschiebung, die umso stärker ist, je weiter die Galaxien von uns entfernt
sind. Diese kann dahingehend interpretiert werden, dass sich die Galaxien im Universum
umso schneller voneinander entfernen, je weiter sie bereits voneinander entfernt sind. Dies
legte auch den Schluss nahe, dass in der Frühzeit des Kosmos alle Materie einmal sehr nahe
zusammen gewesen sein muss, und ein Ereignis dann die Expansion in Gang setzte.
Wenn sich ein Stern von uns weg bewegt, so erscheint das von ihm empfangene Licht
langwelliger (pro Zeiteinheit erreichen uns weniger Wellenberge), wenn er sich auf uns zu
bewegt kurzwelliger, und zwar umso mehr, je schneller die Bewegung weg von oder hin zu
ist. Entsprechend erscheinen uns dann die durch die Oberflächengase des Sternes bewirkten
charakteristischen Spektrallinien-Muster zum lang- oder kurzwelligen Ende des Lichts hin
verschoben. Diesen „Dopplereffekt“ nutzt man, um Bewegung der Sterne im Raum zu
vermessen.
Obwohl auch die „kosmische Rotverschiebung“ oft dem Dopplereffekt zugeschrieben wird,
kommt dieser Effekt genau genommen nicht dadurch zustande, dass sich die beobachteten
Galaxien im dreidimensionalen Raum von uns fort bewegen. Vielmehr expandiert der Raum
selbst und treibt dadurch alle in ihm enthaltenen Massen auseinander. Man würde die gleiche
Beobachtung an jedem anderen Punkt im Kosmos machen. Die Rotverschiebung entsteht
dabei durch eine von der Expansion des Raumes hervorgerufene Dehnung der Lichtwellen,
die umso stärker ist, je länger das Licht im expandierenden Universum von der fernen Quelle
zu uns unterwegs war. Diese Rotverschiebung ist daher auch ein Maß für die Entfernung der
Lichtquelle. Dass die mit der Entfernung gleichmäßig zunehmende Fluchtgeschwindigkeit der
Galaxien auf eine gleichmäßige Ausdehnung des Raumes hinweist, kann man sich am besten
mit Hilfe einer zweidimensionalen Analogie verdeutlichen. Wenn wir ein elastisches
Gummituch an allen Ecken auseinander ziehen oder einen Luftballon aufblasen, so würden
schwarze Punkte auf der Oberfläche des Tuches bzw. des Luftballons auseinander gezogen,
d.h. sich alle voneinander entfernen, und zwar in einer bestimmten Zeit umso mehr, je weiter
die Punkte bereits vorher auseinander lagen. Denn jede Entfernungseinheit zwischen zwei
Punkten liefert (pro Zeiteinheit) ein Stück Dehnung hinzu.
Die von Hubble festgestellte Rotverschiebung ergab ein annähernd konstantes Verhältnis von
Fluchtgeschwindigkeit und Entfernung der Galaxien. Dieses Verhältnis erhielt den Namen
Hubble-Konstante (H = v/r =Expansionsgeschwindigkeit / Entfernung). Bei Annahme einer
nahezu gleichmäßige Expansion des Weltraumes über die Zeit gibt 1/H an, vor wie langer
Zeit alle Galaxien am „selben Ort“ waren, also das Alter des Universums seit dem Urknall.
Allerdings ist zu berücksichtigen, dass die Expansion nicht immer gleich schnell verlief. In
den ersten rund 7-9 Milliarden Jahren seit dem Urknall hat sich die Expansion wie erwartet
Gravitationsbedingt verlangsamt. In den letzten 5-7 Milliarden Jahren jedoch hat sich die
Expansion offenbar beschleunigt (s. Kapitel über „dunkle Energie“). Bei Berücksichtigung
der unterschiedlichen Expansionsraten ergeben die aktuellen Abschätzungen eine Alter des
Universums von 13,8 Milliarden Jahren.
Die Expansion des Raumes macht sich nur auf sehr großen Skalen bemerkbar. Innerhalb von
Galaxien und Galaxienhaufen überwiegt die Gravitationsanziehung.
Die Galaxien am Rande des beobachtbaren Universums bewegen sich heute schon mit etwa
3-facher Lichtgeschwindigkeit von uns weg, das Licht, das sie heute ausstrahlen, kann uns
nicht mehr erreichen. In einem Universum mit beschleunigter zukünftiger Expansion, werden
wir Ereignisse außerhalb des sogenannten Ereignishorizonts niemals sehen können, denn der
Raum dehnt sich schneller aus, als das Licht ihn überwinden kann. Heute liegt dieser
Ereignishorizont in rund 16 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Galaxien, die momentan
weiter als 16 Milliarden Lichtjahre entfernt sind, werden wir also niemals in ihrem heutigen
oder zukünftigen Zustand sehen können.
Allgemein gilt: v = H.r ~= c.z; dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit, z die Rotverschiebung;
z gibt an, welcher Anteil zur Wellenlänge hinzugekommen ist (allg. gilt: z = (λ2 – λ1)/ λ1=
a(t2)/a(t1) -1; t1=Emissions-, t2=Beobachtungszeitpunkt.; t0 (heute)=13,8 x109J; a(t) ist der
sogenannte Skalierungsfaktor des Universums im Vergleich zu heute, a(t0)=1).
So bedeutet z = 0,2, dass die Wellenlänge um 20 % auf das 1,2-fache angewachsen ist; a= 0,5
bedeutet z.B., dass sich die Lichtwellen (und damit der Raum) um den Faktor 1/a=2 gedehnt
haben, also in diesem Fall. z= 1/a -1 = 1 (100% Lichtdehnung).
Ein Wert von H=72 km/s/Mpc (Mpc=Megaparsec= 3,09 x 1019 km) würde bedeuten, dass sich
ein Raumabstand von 1 Mpc pro s um 72 km ausdehnen würde. Dies ergäbe ein Alter des
Universums von 1/H = 13,6 Milliarden Jahren, eine gleichmäßige Ausdehnung vorausgesetzt.
Mit anderen Worten: große Abstände im Universum würden pro 1 Milliarde Jahren um 7,35%
anwachsen (100/7,35 =13,6). Verschiedene Messungen für die Hubble-Konstante ergaben in
den letzten Jahren Werte um die 70 km/s/Mpc. Der neueste mit dem Planck-Weltraumteleskop
ermittelte Wert beträgt 67 ,15 +/- 1,2 km/s/Mpc.
2. Die kosmische Hintergrundstrahlung
Bereits 1946 hatte der russische Physiker George Gamow postuliert, dass das Universum noch
heute aus allen Richtungen gleichmäßig von Strahlen durchdrungen sein müsse, die aus der
Zeit stammen, als das expandierende Universum soweit ausgedehnt und abgekühlt hatte, dass
die Lichtteilchen erstmals freie Bahn hatten und nicht mehr ständig an Materieteilchen
gestreut wurden. Dieser Zeitpunkt, an dem das Universum durchsichtig wurde, wird heute auf
etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall datiert. So wie die Oberfläche (Photosphäre) der Sonne
genau jenen relativ scharfen Rand definiert, an dem Gasball durchsichtig wird, weil
Temperatur und Dichte soweit gesunken sind, dass die im Sonneninneren erzeugten Photonen
nicht mehr ständig mit Materie wechselwirken sondern frei laufend die Sonne verlassen
können, so gab es im Universum einst den Übergang von undurchsichtig zu durchsichtig.
Bei einer Temperatur von 3000- 4000 o Kelvin konnten sich Protonen und Elektronen zu
elektrisch neutralem Wasserstoff verbinden, und die Strahlung unterlag nicht mehr der
sogenannten Thomson-Streuung von Photonen an freien Elektronen.
(In der Photosphäre der der Sonne findet dieser Übergang bereits bei 5800 o K statt, da die
Materie der Sonne bei gleicher Temperatur weniger dicht ist als es der Urkosmos war)
Das damals noch sehr energiereiche (kurzwellige) Licht ist durch die Expansion des Raumes
heute soweit gedehnt (in die Länge gezogen) worden, dass es einer Wärmestrahlung von nur
wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt entspricht; das heiße Licht von damals hat sich
mit der Ausdehnung des Raumes abgekühlt auf etwa 2,7 o Kelvin. Diese von Gamow
vorhergesagte Strahlung wurde 1965 entdeckt und zwar mit genau der Wellenlänge und den
spektralen Eigenschaften, die nach der Urknall-Theorie erwartet worden war.
Die kosmische Hintergrundstrahlung stellt exakt eine Schwarzkörperstrahlung dar, d.h. sie
besteht wie z.B. auch das Spektrum der Sonne aus einem Frequenzband, bei dem die
Intensitätsverteilung der beteiligten Frequenzen typisch für die Wärmestrahlung eines heißen,
undurchsichtigen Körpers einer bestimmten Temperatur ist. (Diese Intensitätsverteilung ist
gegeben durch die Planck Formel; das Intensitätsmaximum eines solchen Planck-Spektrums
hängt nur von der Temperatur des heißen Körpers ab. Man spricht deshalb auch von der
Temperatur der Strahlung; sie entspricht der Durchschnittstemperatur des Universums.)
Das Schwarzkörperspektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung beweist, dass diese in
einer Zeit entstand, als das Universum noch undurchsichtig war; damals war das Universum
nur wenige Wochen alt, es war eine Million mal heißer als heute, etwa so heiß wie die
Sonnenmitte. Erst als sich das Universum nach etwa 380.000 Jahren hinreichend abgekühlt
hatte, konnten die Photonen dieser Strahlung das Universum ungehindert durch laufen.
Dabei hat sich die typische Frequenzverteilung eines Planck-Spektrums über die
Jahrmilliarden erhalten, in denen sich das Universum von 3000-4000 o K auf ca. 2,7 o K
abgekühlt hat, weil alle beteiligten Frequenzen in gleicher Weise gedehnt wurden.
Strahlung im Mikrowellenbereich (1 mm bis 300 mm, Maximum bei ca. 2 mm); Die
Rotverschiebung der Hintergrundstrahlung beträgt z=1100 und jeder Kubikzentimeter des
Vakuums des Weltraums enthält durchschnittlich 400 Photonen der Hintergrundstrahlung.
Somit kommen auf ein Baryon fast zwei Milliarden Photonen. Das erklärt auch die (niedrige)
Rekombinationstemperatur.
„Der Nachthimmel ist also auch deshalb dunkel, weil sich das Weltall ausdehnt und das heiße
Licht, das früher den Himmel füllte und vom Urknall stammt, durch die Ausdehnung des
Raumes zu kühlen, unsichtbaren Mikrowellen geworden ist. Selbst die Tiefe des Raumes ist
jedoch nicht völlig kalt. Wenn unsere Augen Mikrowellen sehen könnten, würde der ganze
Himmel wie glühende Kohlen auch nachts in dem Licht leuchten, das vom ersten Augenblick
der Schöpfung übrig geblieben ist.“/CJH
Die Wellenlängen der kosmischen Hintergrundstrahlung liegen im Mikrowellenbereich.
Die Strahlung füllt den ganzen Raum aus und ist außerordentlich gleichförmig. Geringfügige
richtungsabhängige Abweichungen der Strahlungstemperatur < 0,1% ergeben sich aus der
Bewegung der Erde relativ zum Mikrowellenhintergrund und Störeinflüssen unserer Galaxis.
Filtert man diese Störeinflüsse heraus, so bleibt dennoch ein charakteristisches Muster sehr
geringe Temperaturschwankungen (~10-5 Kelvin) bei kleinen Winkelabständen (< 2 Grad).
Diese sogenannten Anisotropien beruhen primär auf geringfügigen Schwankungen der
Materiedichte im frühen Universum. Hierbei spielen mehrere, zum Teil gegenläufige Effekte
zusammen: so sind Gebiete höherer Materiedichte auch etwas heißer und damit Photonen aus
diesen Gebieten energiereicher; andrerseits verlieren Photonen aus Bereichen höherer Dichte
auch Energie, da sie ein etwas stärkeres Gravitationsfeld zu überwinden haben (gravitative
Rotverschiebung). Die sehr geringen Temperaturschwankungen der Strahlung in kleineren
Bereichen zeigen, dass das frühe Universum außerordentlich homogen war. Die genaue
Analyse der statistischen Verteilungsmuster und Polarisationsmuster erlauben diverse
Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und räumliche Struktur des Kosmos sowie den
Zeitpunkt der Entstehung der ersten Sterne. Die genaue Vermessung der kosmischen
Hintergrundstrahlung ist daher eine der wichtigsten Aufgaben der modernen kosmologischen
Forschung. Messungen erfolgten durch die Satelliten COBE (ab 1989), WMAP (2001-2010)
und das Planck-Weltraumteleskop (2009-2012). (Zu den Ergebnissen, s. Kapitel: 6)
3. Dunkle Materie und dunkle Energie
Dunkle Materie: Das Universum enthält sichtbare Materie, die wir beobachten können,
aber offensichtlich auch unsichtbare Materie, die sich (bisher) einer direkten Beobachtung
entzieht, und auf die wir nur indirekt durch ihre Gravitationswirkung auf sichtbare Materie
schließen können. Sichtbare Materie leuchtet aus sich selbst heraus, wie alle Sterne oder das
von Sternen erhitzte interstellare Gas, oder verrät sich in dem es das Licht von Sternen
abdunkelt (interstellare Staubwolken) oder in dem es andere Materie zum Leuchten bringt.
Die Existenz dunkler Materie wird durch eine Reihe von Indizien nahegelegt.
Bei der Untersuchung der inneren Dynamik ferner Galaxien und Galaxienhaufen zeigt sich,
das diese von der Gravitation zusammengehaltenen Systeme sehr viel schneller in sich
rotieren ohne auseinander zu fliegen, als das von der sichtbaren Materie her möglich ist.
Auch aus dem sogenannten Gravitationslinseneffekt von Galaxienhaufen auf das Licht weit
hinter diesen Haufen liegender leuchtender Materie lässt sich die Masse solcher Haufen
abschätzen. Aus solchen Beobachtungen kann man abschätzen, dass die sichtbare Materie nur
etwa knapp 20% der Gesamtmasse der Galaxien und Galaxienhaufen ausmacht; bei dem
unsichtbaren Rest muss es sich – so die Vermutung - um „Dunkle Materie“ handeln.
Die meisten Astronomen gehen heute davon aus, dass die Galaxien des Universums in eine
Wolke (einen sogenannten Halo) aus dunkler Materie eingebettet sind, der weit über das
sichtbare Areal der Galaxien hinaus reicht und dass diese dunkle Materie gut 80% der
gesamten Materie des Universums ausmacht.
Ein starkes Argument für die Existenz dunkler Materie ergibt sich auch aus der Analyse der
sehr geringen Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung. Dieses
Abbild der Materieverteilung des frühen Universums zeigt zu wenig Inhomogenitäten, als
dass sich die heutige klumpige Struktur des Universums allein über die Gravitation der
bekannten sichtbaren Masse erklären lässt. Eine Erklärung könnte aber sein, dass diese
Strukturbildung durch Einwirkung dunkler Materie beschleunigt wurde. Systematische
Untersuchungen ferner Galaxienhaufen, die sich uns heute so präsentieren, wie sie vor vielen
Milliarden Jahren ausschauten, deuten darauf hin, dass die Strukturbildung im Universum
vom Kleinen zum Großen erfolgte: erst bildeten sich Sterne, diese schlossen sich zu Galaxien
zusammen, kleinere Galaxien verschmolzen zu größeren; Galaxien bildeten Gruppen, die sich
wiederum zu Haufen vereinigten. Diese Art von bottom-up Strukturbildung war, so zeigt die
die Simulation entsprechender kosmologischer Modelle mittels modernen Computern nur
dann möglich, wenn vor allem sogenannte kalte dunkle Materie als Beschleuniger wirkte.
Eine genaue Abschätzungen des Anteils dunkler Materie am Gesamtenergieinhalt des
beobachtbaren Universums ergeben sich aus genauer Analyse des CMB (siehe Kapitel 6)
Prinzipiell unterscheidet man zwischen kalter und heißer dunkler Materie, je nachdem, ob
sich die Materieteilchen deutlich langsamer oder fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Die bisher einzigen bekannten Elementarteilchen, die zur heißen dunklen Materie gehören
sind Neutrinos. Neueste Erkenntnisse der Elementarteilchenphysik weisen darauf hin, dass
Neutrinos eine geringe Ruhemasse haben. Die Neutrinos im Kosmos stammen überwiegend
aus Urknall, entstehen aber auch bei Kernfusionsprozessen in Sternen in großer Anzahl. Ihre
Ruhemasse ist allerdings sehr gering (Größenordnung: 10-6 bis 10-8 der Elektronenmasse).
Trotz ihrer großen Anzahl (etwa 1 Milliarde mal mehr Neutrinos im Universum als Protonen
oder Elektronen) macht der Gesamtbeitrag der Neutrinos daher nur etwa ein 0,1 bis 1% der
gesamten Massen-Energie des Universums aus.
Zur kalten dunklen Materie gehören z.B. schwarze Löcher, die man im Zentrum der meisten
Galaxien vermutet. Sie lassen sich nur dadurch nachweisen, dass sie die Materie in ihrer
Umgebung aufsaugen, und dass diese in das schwarze Loch spiralförmig hineinstürzende
Materie sich durch eine sehr energiereiche, uns als pulsierend erscheinende Strahlung
bemerkbar macht. Weiter gehören stellare schwarze Löcher (der Endzustand massereicher
Sterne), weiße Zwerge (erkaltete Sterne mit < 1,4 Sonnenmassen), Planeten und braune
Zwerge (verdichtete Gaswolken, die nicht die Masse akkumuliert haben, um als Sterne zu
zünden) zur kalten dunklen Materie. Solche MACHO's („Massive Astrophysical Compact
Halo Object“) im Halo der Galaxien sind ein Deutungsversuch für die dunkle Materie.
Ein Teil der vormals für uns „dunklen Materie“ wird auch durch neue BeobachtungsMethoden sichtbar: so entdeckte man in den 70’er Jahren durch Röntgen-Satelliten, dass der
Raum innerhalb vieler Galaxienhaufen durch ein dünnes heißes Gas ausgefüllt ist, auf das in
Summe sogar ein größerer Masseanteil entfällt als auf die sichtbare Materie der Galaxien.
Dieses Intra Cluster Medium (ICM) besteht überwiegend H- und He-Atomkernen;
Temperatur 10-100 Millionen Grad, Partikeldichte ca. 1000 pro m³ ; dies macht ca. ¾ der
sichtbaren Masse eines Galaxienhaufens aus. Die Röntgenstrahlung entsteht überwiegend
durch die Ablenkung (Impulsänderung) freier Elektronen im ionisierten Gas.
Alle bekannten Kandidaten kalter dunkler Materie sind jedoch aus Protonen und Neutronen
aufgebaut, gehören also zu normalen, sogenannten baryonischen Materie. Da es aus der als
gesichert angesehenen Theorie der primordialen Nukleosynthese eine Gesamtabschätzung für
die normale baryonische Materie im beobachtbaren Universum gibt , die in guter
Übereinstimmung mit der Abschätzung der gesamten darin enthaltenen sichtbaren Materie ist
(siehe Anmerkung 2, Kap. 3), kann baryonische dunkle Materie aber nur einen sehr geringen
Teil der dunklen Materie ausmachen. Viele Wissenschaftler vermuten daher, dass die dunkle
Materie überwiegend aus bisher nicht entdeckter kalter dunkler Materie in Form exotischer
Elementarteilchen besteht. Kandidaten sind z.B. das WIMP (Weakly Interacting Massive
Particle), ein schwach-wechselwirkendes massives und stabiles Teilchen, das sich nach der
Theorie der Supersymmetrie ergibt, oder das Axion, ein theoretisch postuliertes Teilchen, das
eine Erklärung für den fehlenden Dipol-Charakter der Neutronen liefern könnte. Auch
übereinen Zusammenhang mit dem Higgs-Feld und Higgs-Bosonen wird spekuliert.
Es gibt jedoch auch neuere Forschungsergebnisse, welche die vermutete Existenz großer
Mengen dunkler Materie ganz in Zweifel ziehen. Untersuchungen von Satellitengalaxien
unserer Galaxis und der Andromeda-Galaxie ergeben Widersprüche zur Theorie der dunklen
Materie. Ein gleichmäßiger Halo dunkler Materie um diese Hauptgalaxien sollte entgegen der
Beobachtung zu einer gleichförmigeren Anordnung der Satelliten Galaxien und zu mehr
sichtbarer Materie in diesen führen. Eine diskutierte Alternativ-Theorie beruht auf der
Annahme, dass bei galaktischen Dimensionen etwas größere Gravitationskräfte wirken, als
durch Newtons Gravitationsgesetz vorhergesagt wird („MOdifizierte Newtonsche Dynamik“)
Dunkle Energie: Wir wissen heute, dass unser Universum expandiert, die Massen des
Weltalls bewegen sich voneinander fort. In dieser Expansion des Universums steckt kinetische
Energie. Diese sollte durch die zwischen den Massen des Universums wirkende Gravitation
leicht abgebremst werden, wenn auch möglicherweise nie ganz zum Stillstand kommen.
Bei der genauen Vermessung der Entfernung und Fluchtgeschwindigkeit von Galaxien anhand
des Lichtspektrums sogenannter Typ-Ia Supernovae wurde 1998 durch zwei unabhängige
Forschungsteams jedoch gezeigt, dass die Expansion des Universums in seiner jüngeren
Geschichte (seit etwa 5-7 Milliarden Jahren, Skalenfaktor 0,5, z=~1) offenbar beschleunigt
verläuft. (Für diese Entdeckung gab es 2011 den Physik Nobelpreis.)
Typ-1a-Supernovae ereignen sich relativ häufig und eignen sich durch ihre identischen
Lichtkurve und bestimmbare Leuchtkraft als sogenannte Standardkerzen für die Bestimmung
der Entfernung und relativen Geschwindigkeit der Galaxien, in denen sie beobachtet werden.
Die beobachtete beschleunigte Ausdehnung wird erklärt durch das Postulat dunkler Energie,
die eine abstoßende Gravitation bewirken soll. Da die Schwerkraft zwischen den Galaxien des
Universums mit zunehmender Entfernung zwischen diesen schwächer wird, würde eine
konstante abstoßende Gravitation ab einem gewissen Zeitpunkt die anziehende Schwerkraft
überwiegen und eine exponentielle Beschleunigung der Expansion des Universums einleiten.
Die beschleunigte Ausdehnung des Universums macht sich bisher jedoch nur auf sehr großen
Skalen bemerkbar, innerhalb von Galaxien und Galaxienhaufen überwiegt die Gravitation.
Die Vermutung dunkler Energie wird durch eine weitere unabhängige Beobachtungstatsache
gestützt. Diese besagt, dass unser (beobachtbares ) Universum eine flache Raumstruktur hat.
Dies ist jedoch nur möglich, wenn es im Universum noch eine andere Form von MassenEnergie gibt, die etwa 70% der gesamten Massen-Energie ausmacht und die zusammen mit
der dunklen Materie und der sichtbaren Materie in etwa die kritische Dichte ergibt, die für ein
flaches Universum erforderlich ist. Siehe Kapitel 6.
Nach der ART kann eine abstoßende Gravitation grundsätzlich auch durch positive Energie
bewirkt werden, wenn diese Energie einen negativen (saugenden) Druck im Vakuum erzeugt.
Nach der ART kann skalare Masse-Energie-Dichte in einem Raumbereich durch Änderung
des Bezugssystems sich als vektorieller Energiefluss darstellen, letzterer mit 3 Komponenten.
Aus dem Energieerhaltungssatz folgt: Die Änderung der Energie in einem mitbewegten
Volumenelement ist gleich dem negativen Druck mal der Volumenänderung: p = - ∆E /∆V.
Eine Verkleinerung des Volumens erfordert Arbeit und erhöht damit die potentielle Energie im
Volumen, gleichzeitig entsteht damit positiver Druck ( ∆V negativ). Positiver Druck in einem
Raumbereich (z.B. Stern) bewirkt zwar in der eingeschlossenen Materie einen Gegendruck,
also eine Tendenz sich auszudehnen, wirkt aber andrerseits im Sinn einer
Volumenverkleinerung also gravitations- verstärkend. Negativer Druck (Unterdruck) in einem
Raumgebiet kann umgekehrt die positive Energiedichte kompensieren und zu einer
Volumenzunahme (Expansion des Raumes) und daher Gravitationsabstoßung führen.
Die physikalische Interpretation der „Dunklen Energie“ ist völlig ungeklärt, ihre Existenz ist
bisher nur indirekt nachgewiesen. Folgendes Erklärungen werden diskutiert:
Kosmologische Konstante: In den Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie hatte
Einstein ursprünglich eine „kosmologische Konstante“ vorgesehen, die bei positivem Wert als
gleichmäßig wirkende abstoßende Schwerkraft die normale, durch die Massen-Energie des
Universums bewirkte anziehende Schwerkraft in Schach halten und so für ein stabiles
Universum im Gleichgewicht sorgen sollte. Diese eliminierte er wieder, als es dafür keine
sinnvolle physikalische Interpretation zu geben schien. Dunkle Energie kann somit als
Wirkung einer kosmologischen Konstanten aufgefasst werden, welche einen gleichmäßigen
negativen Raumdruck erzeugt, als eine Art innere Raumenergie, die den Raum gleichmäßig
durchdringt, ohne sich dabei jemals zu verdünnen. Sie wirkt kumulativ, d.h. zwei Körpern
werden um so stärker auseinander getrieben, je mehr Raum sich zwischen diesen befindet.
Wie aber kann es sein, dass sich eine Raumenergie bei der Expansion des Raums nicht
verdünnt? Stellen wir uns vor einen hohlen Zylinder vor, dessen Inneres mit einer Art
Raumenergie gefüllt ist. Diese Raumenergie soll sich nicht verdünnen, wenn man einen
Kolben weiter aus dem Zylinder herauszieht und so den Raum im Zylinder vergrößert.
Es muss daher beim Herausziehen Energie aufgewendet werden, um die zusätzliche
Raumenergie im größer werdenden Innenraum des Zylinders zu erzeugen. Daraus folgt, dass
die Raumenergie eine innere Zugkraft (einen negativen Druck) besitzen muss, die den Kolben
nach innen zieht und gegen die (mittels Arbeit) der Kolben nach außen gezogen werden muss.
Aus der ART folgt auch: die kosmologische Konstante, also die innere Raumenergie, bewirkt
daher über größere Raumabstände hinweg eine zunehmend abstoßende Gravitationskraft, die
der anziehenden Gravitation der sonstigen Materie entgegenwirkt.
Vakuum Energie: Ein weiterer Vorschlag ist, die dunkle Energie als Vakuumenergie zu
verstehen.. Diese Form der Energie des leeren Raumes soll es nach Quantenfeldtheorie geben.
Sie soll bei positiver Energie einen starken negativen Druck im Vakuum erzeugen. Versuche
einer quantitativen Herleitung ergeben aber eine Expansionsrate des Universums, die um
einen Faktor 10120 (!) über der beobachteten liegt (siehe Grenzen der Physik, Kap. ).
Quintessenz: Die abstoßende Gravitation der postulierten kosmischen Inflation (s. Kap. 9)
kann als sehr kurzzeitige „Unterkühlung“ eines skalaren Higgs-Feldes gedeutet werden .
Dadurch angeregt gibt es auch theoretische Spekulationen über ein „Quintessenz“ genanntes
skalares Feld, das negativen Druck sogar über mehrere Milliarden Jahre aufrechterhalten
könnte.
Vermessung der Raumzeit mit Supernovae Typ Ia
(Information aus Spektrum d.W., C.J. Hogan u.a.)
Eine Supernova ereignet sich wenn ein Stern einer hinreichend großen Masse am Ende seiner
Lebenszeit (wenn sein Kernbrennstoff weitgehend aufgebraucht ist) unter seiner eigenen
Schwerkraft implodiert. Eine Typ Ia Supernova ereignet sich wenn ein weißer Zwerg, das ist
ein sehr kompakter, heißer Stern am Ende seiner Lebenszeit, der aber nicht genug Masse hat,
um als Supernova zu implodieren, in einem engen Doppelsternsystem von seinem Partner
solange Materie in sich aufsaugt, bis er seine Masse eine kritische Grenze erreicht, so dass er
in einer Supernova zu einem Neutronenstern kollabiert. Dabei zerreißt es den Zwergstern und
er schleudert seine äußeren Schichten mit bis zu 10.000 km/s ins All. Die Leuchtkraft einer
solchen Supernova steigt etwa 3 Wochen lang an und fällt dann mehrere Monate wieder ab.
Die maximale Leuchtkraft (sie übersteigt die einer kompletten Galaxie) und Lichtkurve in
dieser Klasse von Supernovae variieren dabei kaum, da es immer die gleiche kritische Masse
ist, bei der der Kollaps einsetzt. Die maximale Leuchtkraft kann man mittlerweile sehr genau
bestimmen („bis auf 12% Genauigkeit“), so dass man durch Vergleich mit der scheinbaren
Helligkeit die Entfernung der Galaxie sehr gut bestimmen kann. (Man spricht von
„Standardkerzen“ zur Entfernungsbestimmung). Durch gleichzeitige Spektralanalyse kann
man die Rotverschiebung des Sternensystems und damit die Fluchtgeschwindigkeit der
Galaxie bestimmen.
Supernovae sind seltene Ereignisse in einer Galaxis, in einer Galaxis wie der unseren ereignet
ereignen sich im Mittel alle 50 Jahre eine, Supernovae vom Typ Ia sogar nur etwa alle 300
Jahre. Um in einem systematischen Beobachtungsprojekt im Mittel jeden Tag eine solche Typ
Ia Supernova zu entdecken, muss man 100.000 Galaxien ständig beobachten. Dies ist nur mit
modernsten Lichtteleskopen und Computern zu erreichen. Dabei werden gewisse Regionen
des Himmels in Abständen fotografiert („ein geeigneter Himmelsausschnitt von der Größe des
Vollmonds liefert bei 10 Minuten Belichtungszeit, das Licht von ca. 5000 Galaxien“). Durch
Subtraktion der digitalen Bilder vom jeweiligen Vorgängerbild durch Computer, lassen sich
Veränderungen feststellen. Allerdings müssen die Computer auch diverse Störungen (durch
die Atmosphäre oder die Bewegung der Erde) herausfiltern
Neu: Einer der Grundpfeiler unseres kosmologischen Standardmodells ist womöglich
wackelig. Denn die Supernova-Daten, die auf eine beschleunigte Expansion hindeuten,
könnten weniger eindeutig sein als bisher gedacht, wie Physiker im Fachmagazin
"Scientific Reports" berichten. Ihre statistische Überprüfung ergab (anhand eines
wesentlich umfangreicheren Supernova-Katalogs) , dass die Supernova-Daten nur eine
Signifikanz von drei Sigma erreichen – und damit eigentlich zu wenig, um in der Physik als
eindeutig zu gelten. Doch wie schnell die kosmische Expansion tatsächlich abläuft, dazu gibt
es bis heute widersprüchliche Daten und Ansichten. So ergab eine Messung auf Basis von
veränderlichen Sternen und Supernovae im Sommer 2016 einen überraschend hohen Wert für
die Hubble-Konstante und damit die Rate der Expansion. Kurz darauf jedoch kam die bisher
größte Vermessung von Galaxien-Entfernungen auf eine deutlich geringere Ausdehnungsrate.
4. Kosmologische Modelle
Ist das Universum unendlich oder endlich? Wird sich die Expansion des Universums ewig
fortsetzen? Zu diesen offenen Fragen existieren mehrere kosmologische Modelle:
Da die Gravitation die einzig maßgebliche Naturkraft zwischen den großen Massen des
Universums ist, ist die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) von zentraler Bedeutung für das
moderne Verständnis des Kosmos. Aus dieser Theorie lässt sich ableiten, dass das der Raum
des Universums expandiert oder kontrahiert, sofern das sogenannte kosmologische Prinzip
gilt. Dieses Grundannahme aller theoretischen Modelle der raumzeitlichen Geometrie des
Weltalls besagt, dass die Masse-Energie des Universums „im Großen“ gleichmäßig verteilt
ist, dass das Universum also homogen und isotrop ist, d.h. von allen Orten aus und in alle
Richtungen betrachtet auf großer Skala immer den selben Anblick bietet.
Die durchgängige Gültigkeit dieses Prinzips für das beobachtbare Universums seit seiner
Entstehung wird heute nicht bezweifelt. Sie ergibt sich sowohl der außerordentlichen
Gleichförmigkeit der bereits 380.000 Jahre nach dem Urknall freigesetzten kosmischen
Hintergrundstrahlung als auch aus der großräumigen Kartierung von hunderttausenden von
Galaxien des Universums, deren Licht uns heute erreicht.
Allerdings gilt die gleichförmige Verteilung der Materie im Universum nur, wenn man sehr
große Teilvolumina betrachtet, Kugeln mit einem Durchmesser von wenigstens 300 Millionen
Lichtjahren. Dies ergibt sich aus der beobachteten Anordnung der Superhaufen, Filamente
und Leerräume des Universums. Zum Vergleich: Die Ausdehnung unseres
Milchstraßensystems beträgt rund hunderttausend Lichtjahre, während das beobachtbare
Universum einen Durchmesser von rund 93 Milliarden Lichtjahren hat.
Die Entwicklung des Universums wird durch die sogenannten Friedmann-Gleichungen
beschrieben, die von Alexander Friedmann 1922-1924 aus der ART unter Annahme der
Gültigkeit des kosmologischen Prinzips hergeleitet wurden. Formal führt die Lösung der
Gleichungen auf ein dynamisch expandierendes oder kontrahierendes Universum mit
konstanter Krümmung der Raumzeit. Für ein expandierendes Universum ergibt sich ein
Anfangszeitpunkt, zu dem dieses formal keine Ausdehnung hatte und Temperatur und Dichte
unendlich groß waren. Dieser Zeitpunkt wird als „Urknall“ bezeichnet. Formal stellt er eine
mathematische Singularität dar und ist daher physikalisch nicht interpretierbar. Die ART
verliert bereits in unmittelbarer Nähe dieser Singularität ihre Gültigkeit (s. Kapitel ).
Die Gleichungen sagen in Abhängigkeit von der Verteilung der gesamten Energiedichte des
Universums auf verschiedene Materie- und Energieformen drei verschiedene Werte für den
globalen Krümmungsparameter des dreidimensionalen Raumes voraus, ferner für ein
expandierendes Universum verschiedene Möglichkeiten der weiteren Entwicklung. Die
Gesamtenergiedichte setzt sich dabei zusammen aus den Beiträgen von Materie (normale
baryonische und Dunkle Materie, E=mc2 ), Strahlung und dunkler Energie ( kosmologische
Konstante Λ). Die sogenannte kritische Energiedichte ergibt sich, wenn die gravitativ
wirkenden Energien gerade nicht ausreichen, um die kinetische Energie der Expansion in
endlicher Zeit zu überwinden. Auf Basis der Friedmann- Gleichungen erhält man folgende
prinzipiellen Friedmann-Modelle:
1. Das geschlossene (sphärische) Universum
Überwiegt die Gesamtenergiedichte die kritische Energiedichte, so ist das Universums
positiv gekrümmt (sphärisch) und in sich geschlossen (analog einer zweidimensionalen
Kugeloberfläche). Dieser Raum wäre demnach endlich, aber wie die Oberfläche einer
Kugel ohne Grenzen. Es gäbe keine sich erst im Unendlichen schneidenden Geraden, die
Winkelsumme (großräumiger) Dreiecke wäre größer 180 Grad. Ohne Berücksichtigung
einer anti-gravitativ wirkenden kosmologischen Konstante (Λ=0) würde die Expansion in
endlicher Zeit zum Stillstand kommen und sich in eine Kontraktion umkehren, so dass das
Universum wieder einer unendlich verdichtete „Singularität“ zustreben würde, aus der –
das ist spekulativ, also nicht durch die Theorie gedeckt - ein neuer Urknall und ein neuer
Zyklus des Universums hervorgehen könnte.
Mit Berücksichtigung einer anti-gravitativen kosmologischen Konstante (Λ>0) wird diese
das Universum ab einer gewissen Ausdehnung dominieren und zu einer beschleunigten
Expansion führen.
2. Das flache (euklidische) Universum:
Entspricht die die totale Energiedichte der kritischen Energiedichte, so hat das Universum
im Großen eine flache Raum-Struktur mit euklidischer Metrik (das Parallelen-Axiom gilt;
die Winkelsumme im Dreieck beträgt 180 Grad) analog zur zweidimensionalen Ebene.
Die Expansion wird für Λ=0 abgebremst ohne aber je ganz zum Stillstand zu kommen
oder verläuft für Λ>0 ab einem gewissen Zeitpunkt beschleunigt. Das Raumvolumen kann
analog zur Ebene unendlich groß sein, aber auch endlich und doch unbegrenzt.
Ein 2-dimensionales Analogon dafür ist die Oberfläche eines Torus (Donut). Man erhält
sie, wenn man bei einem Blatt Papier die jeweils einander gegenüberliegenden Blattränder
zusammen klebt. Gleichbedeutend ist eine 2-dimensionale rechteckige Bildschirmfläche,
bei der Objekte, die an einer Seite heraus wandern, auf der gegenüberliegenden Seite
wieder herein wandern. In beiden Fällen ist die Oberfläche endlich aber unbegrenzt.
Man nennt eine solche Topologie „mehrfach zusammenhängend“ im Gegensatz zur
einfach zusammenhängend unendlichen Ebene. In einem solchen Raum gibt es mehr als
einen direkten Weg (im beschriebenen Fall immer 2) von einer Lichtquelle zu einem
Beobachter und daher – wie in einem Spiegelkabinett - mehrere Bilder (in diesem Fall 2)
einer Lichtquelle.
3. Das offene (hyperbolische) Universum
Ist die Energiedichte größer als der kritische wert, so ist die Raum des Universums negativ
gekrümmt (analog einer zweidimensionalen Sattelfläche mit konstanter Wölbung nach
innen). Die Winkelsumme im Dreieck ist immer kleiner 180 Grad. Solch ein Universum
heißt offen (hyperbolisch). Seine Expansion verläuft (ab einem gewissen Zeitpunkt mit
konstanter ( Λ=0) oder beschleunigter Geschwindigkeit, sein Raumvolumen kann aber –
analog zum flachen Universum - unendlich sein oder bei mehrfach zusammenhängender
Topologie auch endlich groß und ohne Grenzen.
Die für ein flaches Universum benötigte Energiedichte des Universums nennt man die von
kritischen Dichte des Universums. Sie wird berechnet gemäß pc(t) = 3 H(t)2/ 8πG. Dabei ist
H der Hubble-Parameter, G die Gravitationskonstante und π die Kreiszahl. Der so berechnete
Wert der kritischen Massen-Energie-Dichte beträgt pc =10-26 kg/m3, das entspricht dem
winzigen Wert von 5-6 Wasserstoff-Atomen pro Kubikmeter (selbst in den leeren Weiten
unserer Milchstraße herrscht immer noch eine etwa 160.000-mal höhere Dichte!)
(Herleitung: o.E. d.A. wird expandierende Kugel betrachtet; die kritische Masse ergibt sich
mit Ekin +Epot = 0 für die Massen m in der Kugelschale, Ekin = ½ mH2R2 , Epot= - GmM(R)/R
mit M(R) = 4/3πR3 p = Masse in der Kugel, G= Gravitationskonstante, p= Massendichte)
Anmerkungen:
1) Gemäß der ART sind die oben genannten Krümmungen des dreidimensionalen
Raumes (sphärisch, flach, offen) immer auch verbunden mit einer Krümmung der
Raumzeit. Selbst bei einem flachen Universum ist zwar der Raum flach, aber die Zeit
ist gekrümmt, was sich in der Expansion des Universums zeigt. Uhren in weit
entfernten Galaxien laufen daher aus unserer Sicht (!) langsamer. Der Zeitabstand
zwischen 2 Lichtblitzen in einer entfernten Galaxis ist aus unserer Sicht größer, weil
der zweite Lichtblitz wegen der Raumexpansion länger zu uns unterwegs ist. (Aus
jeweils lokaler Sicht laufen die Uhren in allen Teilen der Universums unter gleichen
physikalischen Bedingungen synchron.). Für ein sphärisches Universum ergibt sich
nur dann auch eine endliche Zeit, wenn die anti-gravitative kosmologische Konstante
verschwindet. Bei Annäherung an den Urknall geht die Raumzeitkrümmung gegen
unendlich.
2) Die Krümmung von der hier die Rede ist, ist die sogenannte innere Krümmung des
Raumes, die sich prinzipiell über die Winkelsumme von Dreiecken ermitteln lässt. Bei
flacher, euklidischer Geometrie ist die Winkelsumme im Dreieck immer 180 Grad.
Dies gilt auch für ein Blatt Papier wenn man es biegt oder faltet; die Winkelsumme
eines vorher darauf gezeichneten Dreiecks bleibt unverändert 180 Grad. Daher behält
z.B auch ein zu einem Torus gebogenes Blatt (s. oben) aus Sicht 2-dimensionaler
Wesen seine flache innere Krümmung, obwohl das Blatt aus Sicht 3-dimensionaler
Wesen in der 3. Dimension gekrümmt ist, also eine äußere Krümmung aufweist. Bei
positiver (sphärischer) Krümmung ist die Winkelsumme immer > 180 Grad, wie man
sich anhand eines auf eine Kugel gezeichneten Dreiecks mit 2 Basispunkten auf dem
Äquator und der Spitze am Nordpol klar machen kann: die beiden Basiswinkel
betragen bereits jeweils 90 Grad, dazu kommt der Winkel an der Spitze, dessen Größe
davon abhängt, wie weit die Punkte auf dem Äquator auseinander liegen. Ebenso kann
man zeigen, dass bei einem Raum mit konstant negativer Krümmung ein Dreieck
immer weniger als 180 Grad misst und im Raum beliebig verschoben werden kann.
3) Zu unterscheiden ist auch die Geometrie eines Raumes mit konstanter Krümmung
(flach, sphärisch, offen) von seiner Form (Topologie). Das Beispiel des Torus oben
zeigt, dass auch ein flacher Raum mittels äußerer Krümmung in sich geschlossen und
daher endlich (und ohne Grenzen) sein kann. Solche flachen oder offenen Räume sind
aber mehrfach zusammenhängend.
4) Die Energiedichte des Universums setzt sich den Beobachtungen zufolge aus allen
Formen der Materie (E=mc2), der elektromagnetischen Strahlungsenergie und der
dunklen Energie einer kosmologischen Konstante zusammen. Den Urknall-Modellen
zufolge, stellte elektromagnetische Strahlung nach dem Urknall den Hauptanteil der
Energiedichte im Kosmos. Zu einem Zeitpunkt etwa 60.000 Jahren nach dem Urknall
waren die Energiedichten von Strahlung und Materie gleich, danach bestimmte die
massive Materie die Dynamik des Universums. Mit Beginn einer beschleunigten
Expansion (vor ca. 5-7 Milliarden Jahren) dominiert eine kosmologische Konstante
(dunkle Energie). Die unterschiedliche Zeitabhängigkeit bei Strahlungs- und
Materiedichte lässt sich auch anschaulich verstehen; bei Strahlung nimmt zusätzlich
zum Abfallen der Anzahldichte der Photonen (infolge der Expansion des Raumes) die
Wellenlänge der einzelnen Photonen durch die kosmologische Rotverschiebung zu.
Dies sorgt dafür, dass die Energiedichte der Strahlung schneller abnimmt, als die der
massiven Materie, so dass ein Universum, das zu Beginn strahlungsdominiert war,
nach einiger Zeit durch massive Teilchen dominiert wird, bis zuletzt eine eventuelle
kosmologische Konstante vorherrschen würde.
5) Die kritische Dichte ist gerade die Dichte, bei der das Universum flach ist. Man kann
nun aus der ART ableiten, dass uns das Universum heute nur so, wie es sich uns
darstellt, erscheinen kann, wenn es bereits zum Urknall exakt (mit einer Genauigkeit
von 1 zu 1057 ) die für ein flaches Universum kritische Energiedichte hatte. Jede noch
so geringe Abweichung von dieser, würde sich seit dem Urknall so gewaltig verstärkt
haben, dass das Universum schon längst wieder in sich zusammengefallen wäre oder
dass sich die Materie zu schnell zu weit verteilt hätte und sich keine Sterne, Planeten
oder andere Strukturen hätten bilden können. Dieses Flachheitsproblem des
Standardmodells der Kosmologie wird gelöst durch die sogenannte Inflationstheorie
(s. Kapitel ), nach der das Universum im ersten winzigen Sekundenbruchteil eine so
gigantische Aufblähung durchlief, dass das beobachtbare Universum nur ein winziger
Teil des Kosmos ist, und uns daher dieser Teil einigermaßen flach erscheinen muss, so
wie uns auch die Erdkugel lokal flach erscheint.
6) Fazit: Alle heute verfügbaren Beobachtungsdaten (s. Kapitel 6) deuten auf ein
einigermaßen flaches Universum hin, dessen wesentliche Energiebestandteile sich zu
etwa 68% aus Dunkler Energie (kosmolgische Konstante Λ) , zu etwa 26% aus kalter
Dunkler Materie (CDM=Cold Dark Matter) und zu etwa 5% aus normaler
baryonischer Materie zusammensetzt (Strahlungsenergie und Neutrinos machen etwa
1% aus). Dieses flache Λ-CDM Modell des Universums wird ergänzt durch das
weitgehend akzeptierte Konzept der kosmischen Inflation (s. Kapitel ).
Es wird meist als unendlich angenommen, da dies die topologisch einfachste flache
Lösung ist. Gegen die „Unendlichkeit“ sprechen neben einem grundsätzlichen
philosophischen Standpunkt auch gewisse theoretische Überlegungen, wie die
endliche Massenträgheit (nach E. Mach resultierend aus der Trägheit gegenüber allen
Massen des Universums) oder die Schwierigkeit der Inflationstheorien, ein
unendliches Universum aus einer Vakuumfluktuation heraus entstehen zu lassen.
Problematisch scheint mir auch: Wenn das Universum vor einer endlich langen Zeit in
einem „Punkt“ begonnen hat und sich seitdem ausdehnt, kann es nur dann unendlich
weit ausgedehnt (flach oder offen) sein, wenn es bereits im Augenblick des Urknalles
eine unendliche Ausdehnung hatte. Der Urknall fand dann aber nicht in einem
Raumpunkt, sondern in jedem Raumpunkt des unendlichen Raumes statt. Dies folgt
aus dem kosmologischen Prinzip. Die folgende Ausdehnung hätte demnach eine
zunehmende Abkühlung und Verdünnung der Energiedichte bewirkt, aber keine
Änderung der unendlichen Ausdehnung.
Die bisherigen Daten schließen jedoch auch ein endliches sphärisches Universum
(z.B. das „Dodekaeder-Modell“) oder ein endliches hyperbolisches Universum (z.B.
„Horn Modell“) nicht ganz aus, da die beobachtete Flachheit – wie oben angemerkt –
darauf beruhen kann, dass uns nur ein kleiner Teil des Universums zugänglich ist.
Die späte Dominanz der kosmologischen Konstante (dunkle Energie) führt aber auch
für ein sphärisches Universum durch ihre konstante anti-gravitative Wirkung zur ewig
beschleunigten Expansion des Universums. Die die aktuellen Beobachtungsdaten
schließen daher eine Umkehr und damit einen kosmischen Zyklus (Big Bounce) aus.
7) Formal folgen die Friedmann-Weltmodelle (auch FLRW-Modelle (FriedmannLemaître-Robertson-Walker-Modelle) aus folgenden Voraussetzungen:
Die Friedmann-Gleichungen gehen von einem isotropen und homogenen Universum
aus (kosmologisches Prinzip), d.h. insbesondere von einem Universum mit konstanter
globaler Krümmung (positiv/ null/ negativ) auf großen Skalen! Dies führt auf die
sogenannte Robertson-Walker-Metrik für die Beschreibung des (expandierenden)
Universums. Für die Energie-Impuls-Seite der ART-Gleichung wird das Weylsches
Postulat vorausgesetzt, dass sich die Galaxien im Universum wie Elementarteilchen in
einer idealen Flüssigkeit (kein Energieverlust durch innere Reibung) verhalten. Dies
impliziert nur 2 bestimmende Zustandsgrößen: Energiedichte pe(t) und Druck pd(t).
Damit ergeben sich aus der ART die 2 unabhängigen Friedmann-Gleichungen, bei
denen der sogenannte Skalenfaktor a(t) des Universums in Beziehung zu seinen
Ableitungen und zur Energiedichte pe(t) und zum Druck pd(t) angegeben wird.
Der Skalenfaktor (auch Expansionsfaktor) a = a(t) gibt die relative Expansion des
Universums in Abhängigkeit von der Zeit an. a(t)=r(t)/r0. Dabei ist r(t) die Entfernung
zu einem Objekt zur Zeit t, als das Licht von dem Objekt ausgesendet wurde, das uns
heute erreicht (Laufzeitentfernung); r0 = r(t0) ist die „mitbewegte Entfernung“ zum
Referenzzeitpunkt t0 (=heute). In diesem Zustand kann der Beobachter das Objekt
allerdings nicht sehen, da das Licht gerade eben vom Objekt zu ihm ausgesandt wurde.
Daher gilt a(t) <= 1, a(t0)=1. Mit H.a(t) = d/dt a(t) folgt das Hubble-Gesetz: r(t) =
H.d/dt r(t) mit r(t) = Laufzeitentfernung, d/dt r(t) = v(t) = Fluchtgeschwindigkeit).
Die Friedmann-Gleichungen können dann in folgende Form gebracht werden:
k/a2 = (da /a)2 x (p/pc-1) + Λ/3 mit k Krümmungsparameter, da= d/dt a(t), also da/a =H,
p=pe und pc = kritische Dichte, Λ = kosmologische Konstante. Mit Λ = 0 folgt:
k=0/>0/<0 genau dann wenn p=pc/>pc/<pc
Ferner gilt für ideale Flüssigkeiten allgemein: pe=w pd c2, . Mit pd = - ∆E /∆V bzw.
d(peR3) = pd dR3 (d jeweils Ableitung nach t) folgt: pe ~ R-3(1+w). Die wichtigsten Fälle
für die üblichen Modelle des Universums sind: Strahlung mit w = 1/3, massive
Teilchen, oft als „Staub“ bezeichnet, mit w = 0 und eine kosmologische Konstante mit
w = − 1. Abhängig davon, welche Energieform dominiert, erhält man für Strahlung /
Materie jeweils eine abgebremste Ausdehnung R~ t1/2 / ~t2/3 , für die kosmologische
Konstante eine beschleunigte Expansion R~ eHt (s. auch Kap. 7)
5. Ergebnisse der beobachtenden Kosmologie
Die jüngsten Ergebnisse der beobachtenden Kosmologie beruhen wesentlich auf der Analyse
der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB= Cosmic Microwave Background) und der
großräumigen Kartierung von hunderttausenden von Galaxien im Rahmen des SDSS-Projekts
(Sloan Digital Sky Survey), deren Ergebnisse im folgenden kurz dargestellt werden sollen.
Ein weiterer Pfeiler der beobachteten Kosmologie ist die detaillierten Untersuchungen der
Fluchtgeschwindigkeiten und genauen Distanz weit entfernter Galaxien anhand von Typ Ia
Supernovae, die sich auf Grund ihrer bekannten Lichtkurve und Leuchtkraft sehr gut zur
Entfernungsbestimmung eignen. Damit kann die Expansionsgeschwindigkeit des Universums
abhängig seinem Alter bestimmt werden. Diese führte zur Entdeckung der beschleunigten
Expansion, die durch dunkle Energie /eine kosmologische Konstante erklärt wird (s. Kap. 4).
Die Entdeckung des CMB und seine außerordentliche Homogenität mit nur sehr geringen
Intensitätsschwankungen (von wenigen hundert-tausendstel Grad) vor allem bei bei kleinen
Winkelabständen wurde in Kapitel 2 beschrieben. Dieses Fleckenmuster der Anisotropien
zeigt sich in folgendem vom Planck-Satelliten aufgenommen Bild des CMB in der
elliptischen Darstellung des Galaktischen Koordinatensystems mit der Milchstraßen-Ebene
als horizontale Mittelachse und dem galaktischen Zentrum als Nullpunkt. .
Dabei spielt das sogenannte Leistungsspektrum der Anisotropien, das die geringfügigen
mittleren Intensitätsschwankungen des CMB abhängig vom Winkelgrad zeigt, unter dem
diese von der Erde aus erscheinen. Wie schon bemerkt, machen sich diese Schwankungen vor
allem zwischen kleinen Bereichen einheitlicher Intensität und damit Temperatur bemerkbar
(Winkelabstände < 2o , das entspricht etwa 4 Vollmonddurchmessern). Das sind aber auch
die maximalen Bereiche, in denen es seit dem Urknall zu einem Temperaturausgleich
gekommen sein kann, man sagt diese Bereiche liegen innerhalb ihres kausalen Horizonts.
Das obige Bild des Leistungsspektrum der Anisotropien des CMB zeigt die mittleren
Schwankungen der Strahlungsintensität bzw. Temperatur abhängig von der Sichtwinkelgröße
(As=Angular scale, Multipole moment l ~= 180/As = Kugelflächenfunktion).
Diese Schwankungen hängen zusammen mit geringen Dichteschwankungen im heißen
Plasma aus Wasserstoff- und Heliumkernen, freien Elektronen und Photonen unmittelbar
bevor sich 380.000 Jahre nach dem Urknall die mittlere Temperatur dieses Plasmas auf 3000
Kelvin abkühlte und das Universum damit für die Strahlung durchsichtig wurde. Aus dieser
Kurve kann man nun folgendes erkennen:
1.
Die durch Messungen ermittelte Kurve (rote Punkte) stimmt exakt mit der theoretisch
prognostizierten grünen Linie überein. Diese Linie basiert zum einen auf dem Konzept
der komischen Inflation (s. Kap. ) nach dem sich die Dichteschwankungen im frühen
Kosmos aus inflationär „aufgeblähten“ Vakuumfluktuationen ergeben haben, zum
anderen auf theoretischen Überlegungen, wie sich diese Dichtschwankungen im
Plasma ausgebreitet haben und die Temperaturschwankungen verursacht haben.
Die exakte Übereinstimmung ist eine Bestätigung dieser theoretischen Überlegungen.
Die Inflationstheorie führt bei Annahme skaleninvarianter Vakuum-Fluktuationen, die
durch die Inflation (Raum verdoppelt Größe alle 10-37 s) „gedehnt“ werden zur
Vorhersage von Dichteschwankungen nach dem Harrison-Zeldovich-Spektrum, das in
den 70'er Jahren zur Erklärung der Galaxienentstehung postuliert worden war.
2.
Die Lage des Hauptmaximums der Kurve zeigt an, wie stark die Hintergrundstrahlung
auf dem Weg zu uns durch eine Krümmung des Raumes fokussiert oder de-fokussiert
wird, das Maximum bei einem Winkelabstand von etwas unter 1 Grad bedeutet, dass
das (beobachtbare) Universum im großen annähernd flach ist.
In der Praxis vermisst man die Winkelgrade unter denen die größten Flecken
einheitlicher Temperatur erscheinen. Diese Flecken stellen gleichzeitig maximale
Bereiche des frühen Kosmos dar, in denen sich in den 380.000 Jahren seit dem Urknall
durch Stoßprozesse von Strahlung und Teilchen ein Wärmeausgleich gebildet haben
kann. Mann kann daher die Größe ausrechnen, die diese Bereiche damals hatten und
die Winkel messen unter denen sie heute erscheinen. Da man auch die Entfernung
relativ genau kennt, die die Strahlung seit damals zurückgelegt hat, erhält man
gigantische Sicht-Dreiecke, die man zur Bestimmung der Raumkrümmung des
Universums (Winkelsumme =/</> 180o) benötigt.
Bereiche, die heute < 2o erscheinen,lagen innerhalb ihres kausalen Horizonts, die
Wechselwirkungen innerhalb dieses Plasmas (Photonen, ionisierter Wasserstoff,
Elektronen) vor Entkopplung können modelliert werden: in diesen Gebieten kam es zu
Schaukelbewegungen zwischen gravitativer Verdichtung des Plasmas bewirkt durch
dunkle Materie und Verdünnung durch Strahlendruck. Diese Dichteschwankungen
breiteten sich als Schallwellen (akustische Oszillationen) im heißen Plasma aus
(Ausbreitung mit c/Wurzel(3)); dies bringt durchlaufene Materiebereiche „in Phase“
und führt zu einer Reihe charakteristischer Peaks im Leistungsspektrum der
Anisotropien. Das erste Maximum entspricht dabei der Strecke, die sich dieser Schall
in 380.000 J seit dem Urknall ausgebreitet haben kann: der Schallhorizont bei einem
Sichtwinkel 1o entspricht einem annähernd flachen Universum.
3.
Die Abschätzung der Gesamtmasse der normalen (baryonischen) Materie (s. Kap. 3)
ergibt nur knapp 5% der Masse, die zur Erreichung der kritischen Dichte für ein
annähernd flaches Universum erforderlich ist.
Aus dem Leistungsspektrum der Anisotropien kann man aber auch erkennen, dass die
für die Dichtschwankungen im frühen Universum verantwortliche Gesamtmenge an
Materie etwa 6x so groß sein muss wie die normale Materie. Dies ist ein weiterer
starker und unabhängiger Hinweis auf die Existenz dunkler Materie sowie die
Existenz einer weiteren „dunklen Energieform“, die zusammen mit der sichtbaren und
dunklen Materie die für ein flaches Universum kritische Masse-Energiedichte ergibt.
4.
Licht ist polarisiert, wenn es in einer bevorzugten Richtung senkrecht zur Ausbreitung
schwingt. Auf seinem Weg durch Raum und Zeit wurde das CMB-Licht durch die
ersten Sterne beeinflusst. Aus dem Polarisationsmuster des CMB kann man auf den
Zeitpunkt der sogenannten Re-Ionisation des Universums durch erste Sterne schließen,
die demnach etwa 550 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind (davor dark
age). Im Polarisationsmuster des CMB sollen sich möglicherweise auch Spuren von
Gravitationswellen befinden, die der Theorie zufolge durch die kosmische Inflation
ausgelöst wurden. Die Suche ist auch deshalb sehr schwierige, weil andere Effekte
(z.B. Staub in der Milchstraße) das originäre Muster stark verunreinigen und heraus
gerechnet werden müssen.
(Die sogenannte Rekombination des Universums 380.000 Jahre nach dem Urknall
führte zur Bildung elektrisch neutraler H- und He-Atome und befreite die Photonen
aus ihrem Elektronengefängnis. Die H- und He-Gas Wolken kühlten weiter ab, das
Universum glitt in das sogenannte dunkle Zeitalter (dark age) hinüber. Die
vorhandenen Dichteschwankungen konnten sich in den folgenden Jahrmillionen
ungehindert durch Strahlungsdruck und „angetrieben“ von der gravitativen Wirkung
dunkler Materie weiter zu ersten Sternen, Galaxien und Galaxienhaufen verdichten.)
5.
Einige Anomalien des CMB sind noch nicht erklärt: 1) die Fluktuationen bei den
Temperaturen der Hintergrundstrahlung auf großen Winkelskalen entsprechen nicht
den im Standardmodell vorhergesagten Werten. 2) die Asymmetrie der
Durchschnittstemperaturen an den entgegengesetzten Hemisphären des Himmels. Dies
widerspricht der im Standardmodell postulierten grundsätzlichen Ähnlichkeit des
Universums, ganz gleich in welche Richtung man blickt. 3) Darüber hinaus erstreckt
sich ein kalter Fleck über ein Areal am Himmel, das wesentlich größer ist als erwartet.
Sloan Digital Sky Survey (SDSS)
Dieses Gemeinschaftsprojekt von Instituten in den USA, Japan, Korea und Deutschland ist
seit 1998 im Gang. Wichtiges Ziel des SDSS ist die Kartierung der großräumigen Struktur des
Universums. Mit Spektren von über einer Million Galaxien und Quasaren sollen deren
Entfernungen und Eigenschaften bestimmt werden.
Die bisherigen Ergebnisse bestätigen nicht nur dessen großräumig homogene Struktur,
sondern auch dessen Flachheit auf großer Skala, die damit über Millionen von Jahren, die
zwischen Freisetzung der Hintergrundstrahlung und der Lichtabstrahlung der kartografierten
Galaxien liegt, erhalten blieben.
Aus der Anordnung der Superhaufen, Filamente und Leerräume ermitteln Forscher auch die
Längenskala, auf der das kosmologische Prinzip gilt: sie entspricht den Größen der
Superhaufen und Leerräume und beträgt rund dreihundert Millionen Lichtjahre. Zum
Vergleich: Die Ausdehnung unseres Milchstraßensystems beträgt rund hunderttausend
Lichtjahre, während das beobachtbare Universum einen Durchmesser von rund 93 Milliarden
Lichtjahren hat.
Superstrukturen:
Die Galaxien des Universums gruppieren sich zu Galaxienhaufen. Diese enthalten bei einem
typischen Durchmesser von 10-20 Millionen Lichtjahren (MLj) bis einige tausend Galaxien.
Galaxienhaufen sind von einem dünnen, heißen (107-108 Grad) Gas (ICM) durchdrungen, das
durch seine Röntgenstrahlung beobachtbar ist. Die bis zu 1015 Sonnenmassen eines Haufens
bestehen zu ca. 5% aus Sternen, ca. 15% aus ICM, ca. 80% aus Dunkler Materie.
Galaxienhaufen gruppieren sich zu noch größeren Superhaufen mit Durchmessern von 200300 Millionen Lichtjahren. Diese ordnen sich Simulationen (und Beobachtungen) zufolge in
einer Waben-artigen Struktur an, die durch fadenförmige Filamente um riesige Leerräume
(Voids) mit Ausdehnungen typisch bis 300 MLj gebildet wird. Die bisher beobachteten Voids
haben Durchmesser bis 100 MLj, die 2007 entdeckte „CMB Cold Spot“ Anomalie im
Sternbild Eridanus weist auf einen Supervoid mit einem Durchmesser von 1000 MLj hin.
Die sogenannte „Große Mauer“ bildet als drittgrößte der bekannten Superstrukturen ein
(vermutetes) Filament (Länge 500 MLj, Breite 200 MLj, Tiefe 15 MLj).
Unsere Galaxie (Milchstraße) gehört zum Virgo-Superhaufen, der bei einem Durchmesser von
200 MLj etwa 100-200 Galaxienhaufen umfasst, darunter auch unsere “Lokale Gruppe”.
Abbildung-1: Die großräumige Strukur des Universums gemäß einer Simulation:
Abbildung 2: Die “nähere” Umgebung
Hubble Ultra Deep Field (HUDF) ist ein Bild eines kleinen Teils des Sternenhimmels, das
mit dem Hubble-Weltraumteleskop 2004 aufgenommen wurde. Der Durchmesser des
gewählten Himmelsausschnitts entspricht aus Sicht von der Erde etwa einem Zehntel des
Monddurchmessers und stellt ungefähr ein Dreizehnmillionstel des gesamten sichtbaren
Himmels dar. Das HUDF enthält rund 10.000 Galaxien und große kosmische Objekte. Die
weitesten 13 Milliarden Lichtjahre entfernt.
6. Der Urknall
Allgemeine Überlegungen und die Grenzen der Theorie
Der Urknall, den wir heute als durch theoretisch Begründung und durch eine Vielzahl
unabhängiger und durch genaue Messungen bestätigter Vorhersagen und Beobachtungen als
erwiesen ansehen können (s. Kap. 1-4), geht von einem Frühzustand des Universums vor etwa
14 Milliarden Jahren aus, wo alles, was wir heute beobachten, heißer und stärker verdichtet
als der Kern der Sonne war und sich so rasch ausdehnte, dass es seine Größe in jeder Sekunde
mehr als verdoppelte. Über die eigentliche Ursache des Knalls und den Zustand des
Universums in den sogenannten ersten 10-9 Sekunden (des ersten Milliardstel einer Sekunde)
können wir derzeit nur spekulieren. Es gibt zwar einige teilweise begründete Theorien für
diesen Zeitraum, auf die in der Folge auch eingegangen werden soll, aber im Prinzip könnte
das Universum vor dem unseren Theorien und Beobachtungen zugängliche Zeitpunkt auch
eine Ewigkeit in einem Zustand verbracht haben, über den wir nichts wissen. Wir wissen aber
eine Menge, über das was seitdem geschah: Expansion und räumliche Zusammenballung der
Materie zu Sternen und Galaxien.
Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) und die Singularität der Raumzeit
Die ART ist der theoretische Grundpfeiler der Kosmologie, mit ihr lässt sich das
expandierende Universum begründen und beschreiben. Bei Annäherung an den Urknall ergibt
sich nach der ART jedoch eine Singularität der Raumzeit: das Raumvolumen geht gegen 0,
die Energiedichte gegen unendlich, und auch der Zeitablauf wird unendlich verlangsamt.
Könnten wir diese Reise in die Vergangenheit als Beobachter unbeschädigt mitmachen,
würden wir aber diese Verlangsamung der Zeit bei Annäherung an den Urknall nicht
registrieren, eine mitgeführte Uhr würde für einen Umlauf weiterhin eine gefühlte Stunde
brauchen. Die sich nach der ART ergebende Singularität ist ein starker Hinweis darauf, dass
die Theorie bei Annäherung an den Urknall nicht mehr anwendbar ist, also einer Erweiterung
Bedarf, um die physikalische Wirklichkeit auch dort beschreiben zu können.
Ein analoges Problem ergab sich Anfang des 20. Jahrhunderts, als man die Kreisbahn des
Elektrons um den Atomkern mittels der klassischen Elektrodynamik beschreiben wollte. Nach
dieser Theorie müsste der Elektron unter Abgabe elektromagnetischer Strahlung in den Kern
stürzen. Die Lösung des Problems durch Max Planck war die Geburtsstunde der
Quantentheorie. Nach der Quantentheorie offenbaren alle physikalischen Objekte auf
mikroskopischen Ebenen sowohl einen Teilchen- als auch einen Wellencharakter. Die
Wellennatur des Elektrons führt dazu, dass dieses nur auf diskreten Bahnen um den Atomkern
laufen kann und dabei elektromagnetische Strahlung auch nur gequantelt, als Lichtteilchen
(Photonen) abgeben kann. Eine rein „quantenphysikalisch“ begründete Gegenkraft
verhindert also den Absturz des Elektrons in den Kern. Analog sollte auch die Singularität
der Raumzeit als Anfang des Urknalls oder beim Kollabieren von Materie in ein Schwarzes
Loch durch eine verallgemeinerte Quantentheorie der Gravitation verschwinden.
Charakteristische Teilchenenergie und Planck-Skala:
Die möglichen Manifestationen eines Objekts als Teilchen oder Welle wird durch die
Heisenbergsche Unschärferelation beschrieben. Dabei ist die Wellenlänge des zugeordneten
Teilchens umso kleiner, je größer Masse und Impuls (und damit auch die Energie) des
Teilchens sind. Umgekehrt kann man daher zu jedem noch so kleinen Raumvolumen einen
Energiebetrag (mc2) angeben, welcher der Ruhemasse m eines Teilchens entspricht, das
gerade in dem Raumvolumen lokalisierbar wäre (also gerade eine in das Raumvolumen
passende „Quantenwellenlänge“ hätte). Jedem Raumzeit-Volumen des frühen Kosmos lässt
sich so eine charakteristische Teilchenenergie zuordnen, die umso größer ist, je näher man
dem Urknall kommt. Dies gilt jedoch nur bis zu einer gewissen Grenze, definiert durch die
sogenannte Planck-Skala, ab der Quantentheorie und ART in Widerspruch zueinander
geraten und daher sinnvolle Aussagen auf Basis der heutigen Physik nicht mehr möglich sind.
Die Planck-Länge lp definiert dabei eine Grenze für die Quantenwellenlänge eines Objekts,
unterhalb der dieses auf Grund der Unschärferelation mindestens die Planck-Masse mp haben
müsste und damit automatisch zu einem schwarzen Loch kollabieren würde. (Die ComptonWellenlänge eines Teilchens mit Planck-Masse ist gleich dem Schwarzschildradius dieser
Masse). Die Planck-Zeit tp ist die Zeit, die das Licht bräuchte, um die Planck-Länge zu
durchlaufen. Planck-Länge (ca. 10−35 m) und Planck-Zeit (ca. 10-43 s) bezeichnen
unvorstellbar kleine Dimensionen. Die Planck-Länge ist so viel kleiner als der Durchmesser
eines Haares, als dieser kleiner ist als das beobachtbare Universum. Die Planck-Masse von
ca. 10-9 kg liegt gut im Bereich heutiger Messmethoden, in einem Würfel mit Seiten der
Planck-Länge hätte sie jedoch die gleiche Dichte wie eine Billion Sonnen komprimiert auf die
Größe eines Protons. Planck-Länge, Zeit und Masse sind jeweils durch die FundamentalKonstanten G (Gravitationskonstante), c (Lichtgeschwindigkeit), h (Planck Konstante) exakt
definiert. (s. Grenzbereiche der Physik)
Wie groß ist die Masse-Energie des beobachtbaren Universums bei maximaler
Verdichtung (Planck-Dichte)?
Ruhemasse baryonischer Materie im sichtbaren Universum: : ~ 1054 [Kg] ~ 1062 Planckmassen
(a 10-8 kg); Planck-Volumen = (10-35)3 = 10-105 m³; Volumen des auf Planck-Dichte
verdichteten beobachtbaren Universums = ~ 10-43 m³
Die Temperatur im frühen Universum
Da die Temperatur in einem thermodynamischen System proportional zur mittleren
kinetischen Teilchenenergie ist (Ekin ~ kT, k=Boltzmann-Konstante), kann man für jeden
Zeitpunkt des Kosmos auch eine Temperatur angeben, welche der charakteristischen
Teilchenenergie für diesen Zeitpunkt entspricht. Dabei ergibt die Multiplikation der Energie in
GeV mit 1013 in etwa die Temperatur in Einheit Kelvin. Aus Planck-Masse kann man die
Planck-Energie Ep = mpc2 = ~1019 GeV und die Planck-Temperatur Tp = Ep / k = ~1032 o K zur
Planck-Zeit ableiten. Aus elementaren Überlegungen lässt sich für das frühe Universum auch
eine Beziehung zwischen Zeit t und Temperatur T ableiten: t/tp = (kT/mpc2)-2 (tp/mp = PlanckZeit/ Masse). Unterhalb der Planck-Zeit (10-43 Sekunden) sind keine Aussagen möglich.
Allgemein lässt sich für die Ausdehnungsphase des frühen, strahlungsdominierten
Universums folgender Zusammenhang zwischen Zeit t, Ausdehnung R, Temperatur T und
Energiedichte p herleiten: t ~ R2 ~ 1/T2 ~ 1/Wurzel (p)
(Nach Kap. 5 und Friedmann Gleichungen gilt für Strahlungs- /Materie- Dominanz:
pe~ R-4 / R-3, R ~ t1/2 / t2/3)
Teilchen Umwandlungen und thermisches Gleichgewicht
Die hohe Temperatur hatte zur Folge, dass sich ständig verschiedene Teilchenarten ineinander
umwandelten, solange für ihre Ruhemasse kT >> mc2 galt. Bei ausreichend hoher Temperatur
liefen diese Umwandlungsreaktionen gleich häufig in beiden Richtungen ab, so dass sich ein
thermisches Gleichgewicht zwischen Photonen und allen anderen Teilchen einstellte, d.h. alle
Teilchen entstanden ursprünglich - bei Temperaturen über den Aktivierungsenergien der
Umwandlungsreaktionen - in gleicher Anzahl.
Durch die Expansion des Universums nahm die Temperatur mit der Zeit ab; dies führte dazu,
dass verschiedene Reaktionen „ausfroren“, wenn die Temperatur den für diese Reaktionen
jeweils charakteristischen Schwellenwert unterschritt.. Bei kT <= mc2 werden zerfallene
Teilchen mit Ruhemasse m nicht mehr nachgebildet, sterben also aus. Dies bedeutet auch,
dass gewisse Reaktionen dann nur noch in einer exothermen (Energie-abgebenden) Richtung
ablaufen, während für die endotherme Rückreaktion die nötige Energie fehlt (z.B. ProtonenNeutronen-Umwandlung). Die verschiedenen Epochen in der Geschichte des Universums
sind charakterisiert durch den Verlauf der mittleren Temperatur des Universums und damit
durch die Art der Teilchen-Reaktionen, die jeweils stattfinden konnten.
Die Physik für den Urknall
Für Beschreibung des Universums im Bereich der Planck-Skala benötigt man eine
Vereinheitlichung von ART und Quantentheorie, die beide Theorien als Grenzfall enthalten
sollte und die es heute noch nicht gibt. Es gibt aber Ansätze für eine solche Theorie, ein
vielversprechender ist die unten kurz erläuterte Schleifen-Quanten-Theorie. Aber auch
oberhalb dieser Planck-Grenzen bis zu einer Zeit von etwa 10-10 Sekunden nach dem Urknall
(Temperaturen > 1015 o K) muss man sich mit der erst ansatzweise entwickelten GUT-Theorie
und Plausibilitätsüberlegungen behelfen, um die physikalischen Abläufe nachzuvollziehen.
Die Schleifen-Quanten-Theorie ist ein interessanter Ansatz für eine Vereinheitlichung von
ART und Quantentheorie. Sie vermeidet die Raumzeit-Singularität und lässt in gewissen
Grenzen auch einen Blick auf die Zeit vor dem Urknall zu. Sie beruht auf dem Postulat, dass
auch Raum und Zeit eine diskrete, körnige Struktur haben, dass es also kleinste Raum- und
Zeitabstände gibt, die sich nicht mehr weiter unterteilen lassen. Der Raum soll darüber hinaus
durch 2 Zustandsgrößen beschreibbar sein, seinem Volumen und seiner Orientierung. Letztere
kann 2 entgegengesetzte Werte annehmen und lässt sich am besten mit dem 2-dimensionalen
Analogon der Oberfläche eines Luftballons beschreiben, das auch schon zur Verdeutlichung
der Raumexpansion verwendet wurde. Wenn man die Luft heraus lässt, den Ballon umstülpt,
das Innere nach außen kehrt und den Ballon so wieder aufbläst, erhält man einen Raum mit
entgegengesetzter Orientierung. Etwas Analoges hat sich nach der Schleifen-Quanten-Theorie
am Urknall vollzogen. Diesem ging eine Phase der Kontraktion des Kosmos voraus, die aber
nicht in eine Singularität abstürzte. An einem Grenzwert höchst möglicher Energiedichte hat
sich der Raum umgestülpt und dann wieder aufgebläht, die Energiedichte nahm wieder ab.
Vor Absturz in die Singularität wurde also eine quantenphysikalische Gegenkraft in Form
einer abstoßenden Gravitation wirksam, die diesen Absturz verhinderte. Die Begründung für
diese Gegenkraft ergibt sich nach der Theorie aus der diskreten Struktur der Raumzeit. Bei
Annäherung an den Urknall (aus beiden Richtungen) stehen nur endlich viele Zeitpunkte und
Raumelemente „zur Aufnahme von Energie“ zur Verfügung. So wie ein Schwamm nicht
beliebig viel Wasser aufnehmen kann und im vollgesogenen Zustand Überschusswasser
ausstößt, so kann die diskrete Raumzeit bei Annäherung an den Urknall nur begrenzt Energie
aufnehmen, die Überschussenergie wird als Gegenkraft wirksam.
Ob diese auf kleinsten Abstandsskalen wirkende Gegenkraft auch für die weitere Expansion
des Universums nach dem Urknall verantwortlich ist, lässt sich mit dieser Theorie heute
(noch) nicht erklären. Sie liefert auch (noch) keine weiteren Aussagen, über die Zeit vor dem
Urknall. Wir wissen auch nicht, was der Wechsel der Orientierung am Urknall bedeutete.
Bestand z.B. das Universum davor aus Anti-Materie? Die Schleifen-Quanten-Theorie ist noch
keine durchgängige Theorie und es gibt für sie auch noch keinerlei Bestätigung in dem Sinn,
dass eine spezifische Vorhersage der Theorie in der physikalischen Wirklichkeit nachgewiesen
wurde. Sie beruht jedoch auf einer konsequenten Erweiterung der Quantentheorie auf die
Raumzeit, liefert eine Lösung für das Singularitäten-Problem von Urknall und schwarzen
Löchern und ermöglicht auch die Beschreibung einiger (vermuteter) Phänomene schwarzer
Löcher.
7. Die erste Sekunde
In diesem Abschnitt soll die weitere Entwicklung des Universums in der ersten Sekunde nach
dem Urknall beschrieben werden. Für die Zeit bis etwa 10-10 Sekunden nach dem Urknall gibt
es heute keine gesicherte physikalische Theorie sondern nur begründete Ansätze solcher
Theorien. Die frühen Phänomene oder Prozesse die für diesen Zeitraum beschrieben werden,
sind aus allgemeinen Überlegungen hergeleitet und theoretisch nur ansatzweise begründet.
Man teilt diesen Zeitraum üblicherweise in Ära bzw. Epochen ein (Zeitangaben aus GHa).
Planck-Ära: Erst am Ende der Planck-Ära, oberhalb der Planck-Zeit (10-43 s) wird das
Universum der physikalischen Beschreibung nach derzeitigem Kenntnisstand zugänglich. Aus
sehr elementaren Überlegungen folgt, dass zu diesem Zeitpunkt die Dichte etwa 1094 g/cm3
und die Temperatur etwa 1032 o K (1019 GeV) betragen haben muss. Man nimmt an, dass bis
zu diesem Zeitpunkt die vier bekannten Grundkräfte der Natur in einer einzigen Urkraft
vereint waren. Unterhalb dieser Schwelle sind Raum und Zeit nicht definiert.
GUT-Ära: 10-43 bis 10-34 Sekunden, Energien >= 1015 GeV (Temperatur 1028 K)
Am Beginn dieser Ära spaltete sich die Gravitation als eigenständige Kraft ab. Die drei
restlichen Wechselwirkungen bildeten die theoretisch postulierte GUT-Kraft, die nach der
ansatzweise entwickelten GUT-Theorie (Grand Unified Theory) durch X- Bosonen und deren
Antiteilchen vermittelt wird. Die GUT-Theorie sagt aber nicht nur eine vereinheitlichte GUTKraft sondern auch die Vereinheitlichung aller Materieteilchen (Fermionen) bei Energien >=
1015 GeV voraus. Am Ende der GUT-Phase spaltet sich die GUT-Kraft in die starke und die
elektroschwache Wechselwirkung auf (GUT-Symmetriebrechung). Die (Anti-) X-Bosonen
zerfallen und starben aus, da sie instabil waren und die Temperatur für eine erneute
Formierung nicht mehr ausreichte. Aus dem Zerfall der (Anti-) X-Bosonen bildeten sich die
Bausteine der heutigen Materie, Quarks, Anti-Quarks sowie Elektronen und Positronen im
Zuge der sogenannten Baryogenese. Dabei entstand aus einem noch nicht verstandenen
Grund einen Überschuss von 1 zu 109 Quarks und Elektronen gegenüber Anti-Quarks und
Positronen.
Einer Theorie zu Folge hat die heute beobachtete Asymmetrie zwischen Materie und
Antimaterie ihren Ursprung darin hat, dass die den Zerfall der (Anti-) X-Bosonen bewirkende
elektroschwache Wechselwirkung die sogenannte CP-Symmetrie bzgl. Ladungskonjugation
und Spiegelung der Raumkoordinaten verletzt. Dies könnte 2 Zerfallsreihen des (Anti-) XBosons mit unterschiedlichen Zerfallsraten bewirkt haben, die einen kleinen Überschuss von
Materie gegenüber Antimaterie entstehen ließ, so dass nach der gegenseitigen Vernichtung
von Materie und Anti-Materie in der nachfolgenden Epoche die Materieteilchen übrig
blieben, aus denen das Universum heute besteht. Dies würde möglicherweise auch erklären,
warum der gleiche Überschuss bei den Quarks und bei den Elektronen existiert, so dass unser
Universum elektrisch neutral geblieben ist.
Die meisten GUT-Theorien führen auch zu der Vermutung, dass auch Protonen nach sehr
langer Zeit , etwa 1035 Jahren zerfallen (Proton → Positron + 2 gamma-Photonen). Ferner
wird meist die Existenz magnetischer Monopole vorhergesagt, die beim Urknall entstanden
sein könnten (aber im heutigen Universum nur sehr ausgedünnt vorkommen sollten). Beide
oben genannten Phänomene konnten jedoch bisher noch nie beobachtet werden.
Die Inflation am Ende der GUT-Ära (~10-36 s - 10-33 s)
Am Ende der GUT-Ära ereignete sich nach Meinung der meisten Kosmologen eine
dramatische Aufblähung des Universums. Durch diese Inflation soll sich das junge Universum
in einem extrem kurzen Zeitraum von weniger als bis 10-30 Sekunden um einen Faktor 1030 bis
1050 ausgedehnt haben. Die Inflationstheorie ist unbewiesen. Sie liefert jedoch eine
prinzipielle Erklärung für die Treibkraft des Urknalls und die Entstehung der Materie
(Baryogenese) sowie auch eine Erklärung für eine Reihe kosmologischer Beobachtungen.
Diese Theorie wird daher prinzipiell weitgehend anerkannt. Sie ist Bestandteil des LamdaCMD-Modells des Universums und wird im folgenden Kapitel ausführlich betrachtet.
Elektroschwache Epoche (10-33 s bis 10-10 s)
Die Temperatur des Universums war noch so hoch und die Zeiten zwischen zwei
Teilchenstößen so kurz, dass sich noch keine stabilen Protonen oder Neutronen bildeten,
sondern ein so genanntes Quark-Gluonen-Plasma aus annähernd freien Teilchen entstand.
Nach 10-11 s, bei 100 GeV (1015 o K) ereignet sich die elektroschwache Symmetriebrechung.
Das das Universum gleichmäßig durchdringende skalare Higgsfeld gleitet vom instabilen
Zustand eines falschen Vakuums in einen weniger symmetrischen aber stabilen Grundzustand
niedrigster potentieller Energie (echtes Vakuum). Dieses wechselwirkt nun mit den Massebehafteten Teilchen und verleiht diesen dadurch ihre spezifischen Ruhemassen. („HiggsMechanismus“). Gleichzeitig spalteten sich die elektromagnetische und die schwache Kraft
auf (siehe Abschnitt „Physik“). Dies geschieht bei mittleren Teilchenenergien, die von
modernen Beschleunigern erreicht werden können. Damit war der Zerfall der Urkraft in die
vier bekannten Grundkräfte abgeschlossen.
Hadronen- und Leptonen-Ära (10-9 s bis 1 s):
Etwa 10-9- 10-7 Sek. nach dem Urknall hatte sich dieses „Quark-Gluonen-Plasma auf eine
Temperatur von etwa 1014 K abgekühlt. Die mittlere Teilchen-Energie hatte sich soweit
verringert, dass sich nun zunehmend Materie- und Anti-Materie-Teilchen vernichteten, ohne
dass sich neue Paare bildeten, wobei sich der Kosmos dadurch temporär wieder aufheizte. Am
Ende dieses „Quark-Sterbens“ blieben etwa jeweils eines von einer Milliarde Quarks übrig.
Dies lässt sich (auch) daraus schließen, dass das Verhältnis von Photonen zu Nukleonen in
der Phase der Entstehung der leichten Atomkerne etwa 1 Milliarde zu 1 betrug (siehe Kap.
4, Ergänzungen). Vor der Quark-Antiquark-Vernichtung sollten auf Grund des thermischen
Gleichgewichts alle Teilchen gleich oft vorhanden gewesen sein.
Nach 10−6 s lag eine Temperatur von ~1013 K (0,2 GeV) vor. Quarks konnten nicht mehr als
freie Teilchen existieren, sondern vereinigten sich zu Hadronen, bestehend aus 3 Quarks
(Baryonen) oder 2 Quarks (Mesonen). Mit abnehmender Temperatur zerfielen die instabilen
Mesonen und schwereren Hadronen und es blieben schließlich Protonen und Neutronen übrig.
Durch ständige Umwandlungen von Protonen in Neutronen und umgekehrt entstand auch eine
große Zahl von Neutrinos und Anti-Neutrinos (siehe Kapitel 3).
Etwa eine Millisekunde nach dem Urknall hatten sich aus den Quarks und Gluonen die
Grundbausteine unserer Materie, Protonen und Neutronen, zunächst in etwa gleichen Mengen
gebildet. Die mittlere Energie der anderen Teilchen (Photonen, Elektronen) im Plasma reichte
nicht mehr aus, um diese Nukleonen gegen die starke Kraft der Gluonen zu sprengen.
Protonen sind stabil, ein freies Neutron zerfällt im Mittel nach 11 Minuten.
Die Temperatur reichte nun lediglich noch dazu aus, Leptonen-Paare, wie ein Elektron und
sein Antiteilchen, das Positron, zu bilden. Etwa 0,1 s nach dem Urknall war eine Temperatur
von ~1010 o K erreicht. Nun war die Dichte soweit abgesunken, dass die sich die Neutrinos von
der Materie entkoppelten, und sich keine neuen Elektron-Positron-Paare mehr bildeten. Jetzt
vernichteten sich auch Elektronen und Positronen, bis auf den seit der Baryogenese
bestehenden Überschuss von einem Milliardstel an Elektronen.
Damit war die Bildung der Bausteine der Materie, aus der sich der Kosmos heute noch
zusammensetzt, weitgehend abgeschlossen. In den folgenden 5 Minuten bildete sich aus
diesen Bausteinen die Urmaterie des Kosmos bestehend aus Wasserstoff (75%) und Helium
(25%) wie im folgenden Kapitel beschrieben.
8. Die Entstehung der Materie
Der Urknall hinterließ nicht nur die kosmische Hintergrundstrahlung, sondern auch die
gesamte Materie des heutigen Weltalls. Die sogenannte „primordiale Nukleosynthese“
bezeichnet eine physikalische Theorie, welche die die Bildung der ersten Atomkerne kurz
nach dem Urknall beschreibt. Diese Theorie ist heute eines der wichtigsten Standbeine des
Standardmodells der Kosmologie, da sie zu exakten Aussagen über die Häufigkeitsverteilung
der chemischen Elemente im frühen Universum führt, die sehr genau mit unseren
Beobachtungen der heute noch vorhandenen Spuren dieser Verteilung übereinstimmen.
Die Theorie der primordialen Nukleosynthese geht auf Arbeiten des amerikanischen
Physikers George Gamow im Jahre 1946 zurück. 1950 beschrieb der Japaner Chushiro
Hayashi die Neutron-Proton-Gleichgewichtsprozesse zur Erzeugung der leichten Elemente
und 1966 erstellte Ralph Alpher ein Modell zur 4He -Synthese. In Folge kam es zu weiteren
Verfeinerungen des Modells. /Wik
Nach der heute akzeptierten Theorie konnten die Prozesse zur Bildung der ersten Atomkerne
etwa eine Millisekunde nach dem Urknall beginnen. Das Universum hatte sich nun so weit
abgekühlt, dass das bis dahin vorliegende Plasma aus Quarks und Gluonen zu Protonen und
Neutronen im Verhältnis 1:1 kondensierte. Diese wandelten sich sich zunächst unter Einfluss
der Schwachen Wechselwirkung (Beta-Zerfall) in beide Richtungen gleich oft ineinander um:
(1) Neutron -> Proton + Elektron + Anti-Neutrino + Energie
(2) Proton + Energie -> Neutron + Positron + Neutrino.
Das Neutron ist jedoch etwas schwerer als das Proton und zerfällt als freies Neutron nach
einer mittleren Lebensdauer von etwa 11 Minuten von alleine unter Abgabe von Energie,
während die Umwandlung eines Protons in ein Neutron eine Energie von 1,3 MeV erfordert,
was der Differenz der Ruheenergien von Proton und Neutron entspricht. Die Umwandlung
von Protonen in Neutronen nahm daher exponentiell ab, sobald die Temperatur einen Wert
entsprechend einer mittleren Teilchenenergie von 1,3 MeV unterschritt. Bereits eine eine
Sekunde nach dem Urknall gab es bei einer Temperatur von etwa 10 Milliarden Grad nur
noch 20% Neutronen und 80% Protonen.
In den folgenden 5 Minuten ging der Zerfall der freien Neutronen zwar weiter, aber
gleichzeitig bildeten sich die ersten stabilen Atomkerne (mit Protonen und Neutronen), so
dass am Ende 1 von ursprünglich 4 Neutronen übrig blieb (d.h. von je 4 Neutronen hatten sich
3 in Protonen verwandelt). Der Prozess endete nach etwa 4 Minuten als Temperatur und
Dichte des expandierenden Universums unter die kritischen Werte fielen, die für
Kernfusionen nötig sind. Diese gibt es nur dann, wenn Dichte und Temperatur eines Plasmas
so hoch sind, dass sich diese Kernteilchen durch Stoßprozesse nahe genug (10-15 m) kommen,
dass sie miteinander stark wechselwirken können.
Ab etwa 1 Sekunde nach dem Urknall konnten sich erstmals Protonen und Neutronen zu
Kernen des Wasserstoff-Isotops Deuterium 21De (Massenzahl 2, Kernladungszahl 1, d.h. je 1
Proton und Neutron) verbinden. Die Bindungsenergie des Deuteriumkerns ist allerdings so
schwach, dass diese Kerne durch hoch-energetische Photonen sofort wieder aufgespalten
wurden. Die Temperatur zu diesem Zeitpunkt betrug noch etwa 8 Milliarden Grad.
Mit weiter abnehmender Temperatur nahm die Zerfallsrate der Deuteriumkerne (Deuteronen)
jedoch ab. Nach etwa 3 Minuten hatte sich das Universum weiter auf etwa 900 Millionen
Grad abgekühlt, so dass das Deuterium stabil blieb. Nun konnten sich im Zuge von
Stoßprozessen (über mehrere unterschiedliche Basisreaktionen) jeweils 2 Deuteronen zu
einem Heliumkern 42He verbinden. Da die Kernbindungsenergie von Helium 9x höher ist als
die von Deuterium, verlief dieser Prozess sehr schnell und es blieben kaum Deuteronen übrig.
Immerhin hatte die Bindungsenergie des Deuterium gerade ausgereicht, um in der kurzen
Phase von etwa 1 bis 5 Minuten nach dem Urknall, in der Kernfusionen möglich waren und
die verbliebenen freien Neutronen noch nicht zerfallen waren, diese einzufangen und in einem
stabilen Kern zu binden. Ohne die Zwischenstufe Deuterium hätte sich in dieser kurzen Phase
der Entstehung des Universums auch kein Helium bilden können. Die Rettung der Neutronen
vor dem Zerfall und damit die Möglichkeit der späteren Entstehung schwerer Elemente als
Voraussetzung für die Entstehung des Lebens verdanken wir also auch den spezifischen
Eigenschaften des Deuterium.
5 Minuten nach dem Urknall hatten sich also fast alle bis dahin nicht zerfallenen Neutronen
(mehr als 99%) in 42He gebunden. Von je 8 Nukleonen (7 Protonen + 1 Neutron) blieben 6
Protonen (75%) als Wasserstoffkerne übrig, die restlichen 25% hatten sich in Helium-Kernen
gebunden. D.h. die Materie des Universums bestand nun zu 75% aus Wasserstoff zu knapp
25% aus Helium. Aus der Theorie folgt weiter, dass auch geringe Mengen von Deuterium
übrig geblieben sind, für das die Zeit (hinreichend hoher Dichte und Temperatur) nicht
ausreichte, es auch zu schwereren Kernen zu verbinden; ferner dass sich auch in geringem
Ausmaß das Helium-Isotop 32He und geringe Spuren des Elements Lithium (in Form der
Isotops 73Li ) gebildet haben. Die Temperatur des Universums war zu diesem Zeitpunkt immer
noch so hoch, dass die Materie als Plasma vorlag, einem Gemisch aus freien Atomkernen,
Protonen und Elektronen bei einer Temperaturstrahlung im Röntgenbereich.
Die von der Theorie vorhergesagte Häufigkeitsverteilung all dieser Elemente stimmt äußerst
gut überein mit den spektral-analytischen Beobachtungen von interstellarer Materie in
Regionen des Kosmos, die noch nicht durch Sternexplosionen „verunreinigt“ sind.
Ergänzungen
Alle Elemente schwerer als Lithium haben sich erst später im Inneren von Sternen gebildet.
Sie konnten in der kurzen Zeit der ersten 5 Minuten nicht entstehen, da keine stabilen
Atomkerne mit Massenzahl 5 oder 8 existieren, die sich durch Einfach-Zusammenstöße von
Helium-Kernen mit anderen Wasserstoff- oder Helium-Kernen hätten bilden können. Dies
geschah erst viel später im Inneren von Sternen, in denen über lange Zeiträume Bedingungen
vorherrschen, die es ermöglichen, dass sich auch durch relativ unwahrscheinliche MehrfachZusammenstöße von Kernen stabile Elemente höherer Massenzahl (von Kohlenstoff bis
Eisen) anreichern. (siehe Kap.)
Aus der Theorie folgt eine starke Abhängigkeit der Häufigkeiten der entstehenden Atomkerne
vom dem Verhältnis V der relativen Anzahl von Nukleonen (Protonen und Neutronen) zu
Photonen des Lichtes in dieser Phase nach dem Urknall. Insbesondere die Häufigkeit des
beim Urknall entstandenen Deuteriums hängt empfindlich von V ab, da die Phase der stabilen
Deuterium-Produktion umso später einsetzte und damit umso kürzer dauerte, je größer die
Photonendichte im Vergleich zur Nukleonendichte angenommen wird. Je kürzer diese Phase
dauerte, umso mehr Deuteriumkerne sollten übrig geblieben sein, die keinen Partner für eine
Helium-Fusion fanden. Diese Deuterium-Häufigkeit lässt sich jedoch bestimmen, da alles
heute im Universum vorhandene Deuterium vom Urknall stammt (etwa 1 Teil Deuterium auf
einige 10.000 Teile Wasserstoff). Sie passt sehr gut zu einem Wert von 10-9 für V (1 Nukleon
pro 1 Milliarde Photonen). Da sich die Anzahl der Photonen, die vom Urknall übrig sind,
aus der kosmischen Hintergrundstrahlung bestimmen lässt (411 Urphotonen pro cm3), und
sich auch die Anzahl der Nukleonen seit dieser Zeit nicht (wesentlich) verändert haben dürfte,
lässt sich so die Nukleonendichte im heutigen Universum mit ~ 4 Nukleonen pro 10 m3
abschätzen.
Die sich daraus ergebende Gesamtmenge an Materie im beobachtbaren Universum liegt
bemerkenswert nahe an der Summe aller bekannten baryonischen Bestandteile des
Universums in Form von Gas und Sternen in und zwischen den Galaxien.
Die sich aus obiger Überlegung ergebende Teilchenzahl wird unterschiedlich mit 1080 oder
1081 angegeben. Die Ruhemasse des Neutrons, von dem wir annehmen, dass es als
"durchschnittliches" Teilchen die Baryonen (= Teilchen, aus denen die Materie besteht) im
Kosmos vertritt, beträgt 1,675 × 10-27 [Kg]. Damit ergibt die sich für die gesamte Ruhemasse
baryonischer Materie: 1,675 × 1053 [Kg] / 1054 [Kg]
Die Anzahl der im Universum vorhandenen Galaxien wird unterschiedlich angegeben.
Sie schwankt zwischen 500 Millionen (5 × 108) bis hin zu 100 Milliarden (1011). Eine
durchschnittliche Galaxie weist eine Masse von einer Billion Sonnenmassen auf (1012), wobei
unsere Sonne rund 2 × 1030 [Kg] "wiegt". Damit ergibt sich als Gesamtruhemasse: 1051 [Kg]
bis 1053 [Kg] (also annähernd die gleiche Größenordnung)
9. Die kosmische Inflation
Die meisten Kosmologen gehen heute für die erste Phase des Urknalls vom sogenannten
„inflationären Modell“ aus. Danach ist der Urknall selbst zurück zuführen auf eine nur in den
ersten Sekundenbruchteilen der Weltzeit wirkende, enorme abstoßende Schwerkraft, die das
Universum zunächst mit einer dramatischen Geschwindigkeit auseinander getrieben hat.
Der Durchmesser des Universums ist dabei in nur 10-33 Sekunden um wenigstens einen Faktor
1030 gewachsen, so dass das der Bereich, der dem heute beobachtbaren Universum entspricht,
danach etwa die Größe eines Fußballs hatte.
Das Inflationsmodell wurde erstmalig 1981 von Alan Guth vorgeschlagen.
Die Inflation wird zeitlich in der GUT-Ära angesiedelt. Je nach Annahmen wird der Beginn
der inflationären Phase zwischen 10-43 und 10-35 Sekunden, das Ende zwischen 10-33 und 10-30
Sekunden nach dem Urknall angenommen, der Ausdehnungsfaktor mit 1030 bis 1050
abgeschätzt. (Sämtliche Zahlenwerte für die Inflationstheorie sind mit großen Unsicherheiten
behaftet, da die zugrunde liegende Physik der GUT-Theorie erst ansatzweise entwickelt ist;
es gibt auch eine Vielzahl verschiedener Modellvorschläge mit unterschiedlichen Annahmen
bezüglich Beginn, Dauer und und energetischem Verlauf des Expansionsausbruches, die zu
unterschiedlichen Verläufen und Zahlenwerten führen. Die Beobachtungsdaten reichen noch
nicht aus, um die Inflationstheorie nachhaltig zu bestätigen und gar ein Modell als passend
zu identifizieren.)
Die Inflationstheorie geht davon aus, dass das Vakuum 10-43 Sekunden nach dem Urknall von
einem Inflaton genannten Energiefeld erfüllt war, das für einen winzigen Sekunden-Bruchteil
eine enorme abstoßende Gravitation erzeugte. Diese abstoßende Gravitation war die
Treibkraft des Urknalls. In weniger als ein „Billionstel x Billionstel x Milliardstel“ Sekunde
dehnte sich das Universum explosionsartig um mindestens einen Faktor 1030 bis 1050 aus.
(Die Relativitätstheorie verbietet nicht die überlichtschnelle Ausdehnung des Raumes selbst).
Die Energiedichte dieses Feldes blieb bei der bewirkten exponentiellen Expansion konstant,
da es – so die Annahme (!) - ein unbegrenztes Reservoir an potentieller Gravitationsenergie
anzapfen konnte. Auf diese Weise konnte das Inflaton ausgehend von einem winzigen
Raumbereich und Energiebetrag (beides z.B im Bereich der Planck-Skala) durch die
Volumenvergrößerung des Universums um mindestens den Faktor (1030)3 die gesamte MasseEnergie des heutigen Universums gebildet haben. Das Inflaton könnte sich demnach auch
zufällig in einem winzigen Raumbereich des Raum-Zeit-Quantenschaums entstanden sein.
Nach etwa 10-33 Sekunden zerfiel das Inflaton am Ende der Inflationsphase, seine Energie
wandelte sich in masselose GUT-Teilchen um, dann zeitgleich mit Abspaltung der starken
Wechselwirkung (GUT-Symmetriebrechung) in Quarks, Anti-Quarks, Elektronen, Positronen
wobei kleiner Überschuss von Materie gegenüber Anti-Materie entstand. Man kann sich das
so vorstellen, dass die Quantenfluktuationen des Vakuums durch die Inflation so dramatisch
auseinander gezerrt wurden, dass sich virtuellen Teilchen einer Fluktuation nicht mehr finden
und gegenseitig vernichten konnten, sondern zu realen Teilchen „ausfroren“. Dieser Vorgang
der Entstehung der elementaren Materie- und Anti-Materie-Bausteine wird Baryogenese
genannt (siehe voriges Kapitel).
Am Ende dieser Inflationsphase hatte das heute beobachtbare Universum der Theorie zufolge
eine Temperatur von 1028 Grad Kelvin und einen Durchmesser von etwa 0,2-1 Meter.
Dieses durch unseren Horizont begrenzte, beobachtbare Universum wäre demnach aber nur
ein winziger Teil des durch die Inflation aufgeblähten, gesamten Universums („kleiner als ein
Atomkern im Verhältnis zur Erde“).
Die Herkunft des Inflaton-Feldes und die Ursache seiner abstoßenden Wirkung sind ebenso
unbekannt, wie auch der Mechanismus, nachdem das Inflaton in Materie zerfallen sein soll.
Es gibt jedoch ansatzweise Erklärungen (siehe Anmerkungen unten).
Zunächst aber eine Aufzählung der wichtigsten Argumente, die für die Inflationstheorie
sprechen:
1. Zunächst liefert die Theorie eine Erklärung für die Treibkraft des Urknalls sowie für die
Größe des heute beobachtbaren Universums
2. Zum zweiten liefert die Theorie eine prinzipielle Erklärung wie Raum und Materie unseres
Universums aus Nichts oder fast Nichts entstanden sein könnten (s. Anmerkungen unten).
3. Eine Inflationsphase kann außerdem auch mehrere kosmologische Beobachtungen erklären,
für die man ansonsten noch keine zufriedenstellende Erklärung gefunden hat, nämlich
• Die globale Homogenität des Kosmos (Horizontproblem):
Die Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung hat ergeben, dass diese im
beobachtbaren Universum überall die gleiche Temperatur hat. Dies sollte nicht möglich
sein, wenn ein Austausch von Eigenschaften (wie Energie, Temperatur etc.) maximal mit
der Geschwindigkeit des Lichts erfolgen kann und den einzelnen Gebieten nicht mehr als
13,8 Milliarden Jahre zur Verfügung standen. (Zwei Bereiche, die heute am Himmel zwei
Grad oder mehr voneinander entfernt sind, waren etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall,
als die kosmische Hintergrundstrahlung frei wurde, so weit voneinander entfernt, dass sie
wegen der endlichen Lichtlaufzeit nicht in kausalem Kontakt gestanden haben können und
somit auch kein Temperaturausgleich zwischen ihnen stattgefunden haben kann.)
Ein Wärmeausgleich nach dem Urknall zwischen den heute weit auseinander liegenden
Bereichen des Weltalls kann aber damit erklärt werden, dass es eine inflationäre Epoche
gab, vor der diese Raumbereiche nahe genug beieinander waren, dass sie innerhalb der
Grenzen der Lichtgeschwindigkeit miteinander wechselwirken und Wärme austauschen
konnten. (Während der inflationären Phase erfolgte die Expansion so rasch, dass ein
ehemals kausal zusammenhängender Bereich sich weit über die Größe des heute
beobachtbaren Universums ausdehnte. Dadurch konnte vor der Inflation in diesem
Bereich ein Temperaturausgleich stattfinden.)
Eine alternative Erklärung liefert die Schleifen-Quanten-Theorie (s. Anmerkung 3, unten)
•
Die geringe Krümmung des Raumes (Flachheitsproblem):
Das von uns beobachtbare Universum erscheint uns weitgehend flach. Dies ergibt sich aus
der Vermessungen der Materieverteilung und der kosmischen Hintergrundstrahlung.
Aus der ART lässt sich ableiten, dass es uns ohne Annahme einer inflationäre Epoche nur
flach erscheinen kann, wenn es bereits zum Zeitpunkt des Urknalls exakt flach war, also
(mit einer Genauigkeit von 1 zu 1057 ) die dafür kritische Massendichte hatte. Jede noch
so geringe Abweichung von dieser, würde sich seit dem Urknall so gewaltig verstärkt
haben, dass das Universum schon längst wieder in sich zusammengefallen wäre oder dass
sich die Materie zu schnell zu weit verteilt hätte und sich keine Sterne, Planeten oder
andere Strukturen hätten bilden können. Die Inflation würde aber auch dann zu einem
lokal flachen Erscheinungsbild des Universums führen, wenn das Universum am Anfang
nicht genau die dafür kritische Massendichte hatte (so wie uns die Oberfläche eines auf
Erdgröße aufgeblähten Balles auch einigermaßen flach erscheint).
•
Die Entstehung von Dichtschwankungen im frühen Kosmos
Bereits kurz nach dem Urknall muss es im Universum gewisse Schwankungen der
Materiedichte gegeben haben, damit sich daraus durch Wirkung der Gravitation dessen
heutige, klumpige Struktur in Form von und Galaxien und Galaxienhaufen bilden konnte.
Diese ursprünglich postulierten Schwankungen der Materiedichte des frühen Universums
lassen sich theoretisch als das Ergebnis zufälliger Quantenfluktuationen des Inflaton
erklären, die durch die Inflation zu kosmischer Dimension “aufgebläht“ worden sind.
Dabei zeigt die theoretische Berechnung der statistischen Verteilung der resultierenden
geringfügigen Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung genau das
Muster, das wir heute beobachten. (s. Kap. 5)
Anmerkungen
1) Nach der Inflationstheorie kann das beobachtbare Universum nur einen Bruchteil des
gesamten Universums darstellen. G. Hasinger: „wie eine Nadelspitze im Verhältnis zur
Entfernung der Galaxien“
2) Eine alternative Erklärung der Dynamik des Urknalls liefert die Schleifen-QuantenTheorie (SQT): Danach könnte die Inflation auch durch abstoßende Kraft getrieben worden
sein, die nach der SQT den Absturz eines “Vor-Universums“ in die Urknall-Singularität
verhinderte. Ob diese „Abprall-Energie“ für eine Expansion um Faktor >1030 ausreichte, ist
ungewiss. Eine exponentielle Ausdehnung um Faktor >1030 muss aber in den verschiedenen
Inflationsmodellen vorausgesetzt werden, um die homogene Temperatur (Energiedichte) im
Universum am Ende der Inflation erklären zu können.
Die SQT liefert aber auch eine alternative Erklärung für das Horizontproblem, wenn eine
vorausgehende Kontraktion eines Vorgänger-Universums im thermischen Gleichgewicht
endete.
3) Zur Erklärung der Treibkraft der Inflation wird ein räumlich homogenes Energiefeld
benötigt, das unter bestimmten Umständen kurzzeitig einen enormen negativen Druck
erzeugen kann. Der ART zufolge tragen nicht nur die Energiedichte eines Raumbereiches,
sondern auch der darin herrschende Druck zur Stärke des von diesem Bereich ausgehenden
Gravitationsfeldes bei. Umgekehrt kann starker negativer Druck, der nicht nach außen drückt
sondern nach innen "saugt" und der die von einer positiven Energiedichte ausgehende
Gravitation überwiegt, zu einer abstoßenden Gravitationskraft führen.
Am Anfang gab demnach ein skalares, räumlich homogenes Energiefeld, das kurzzeitig einen
enormen negativen Druck erzeugen konnte.Die Energiedichte dieses Feldes blieb bei der
bewirkten exponentiellen Expansion konstant, da es – so die Annahme - ein unbegrenztes
Reservoir an potentieller Gravitationsenergie anzapfen konnte.
Neuere Inflationsmodelle erklären dies mit einem Inflaton-Feld, dessen Potentialtopf dem
eines skalaren Higgsfeldes entspricht (wie Sombrero oder rotierendes W), das also in der
Mitte (Feldwert =0) eine Erhebung positiven Potentials (falsches Vakuum, da instabiler
Zustand) hat und im Muldenring den niedrigsten Potentialwert des echten Vakuums annimmt.
Das Energiepotential eines solchen Feldes kann bei „Abkühlung“ (durch Expansion des
Raumes) kurzzeitig auf dem höheren Wert des falschen Vakuums verharren . Dabei nimmt das
Feld den Wert Null an, bei gleichzeitig positiver Energiedichte. Dieser Zustand ist instabil.
Man spricht von einem verzögerten Symmetriebruch des Feldes, auch von einer Unterkühlung
des Feldes analog zu hochreinem Wasser, das flüssig bleibt, obwohl es unter null Grad
abgekühlt wird, weil es keine Kristallisationskeime gibt die die Eisbildung auslösen können.
Wie dieses durch äußere Störungen sofort zum frieren bewegen lässt, kann auch ein
unterkühltes Higgs-Feld spontan „einfrieren“, d.h. das Energiepotential fällt auf den Wert
Null, d.h. es gleitet in den Muldenring.
Im Zustand der Unterkühlung erzeugte das Inflaton (allgemeiner: ein Higgsfeld) aber einen
enormen negativen (nach innen saugenden) Druck und damit gemäß den Gesetzen der ART
eine abstoßende Gravitation, welche die anziehende Gravitation des Energiefeldes überwog
und den Raum expandieren ließ. Diese Expansion verlief exponentiell beschleunigt, da sich
das unterkühlte Higgs-Feld mit dem expandierenden Raum ausdehnte, wobei seine
Energiedichte und damit der negative Druck in jedem Raumpunkt konstant blieben. Es
bildete sich, gefüttert durch ein unerschöpfliches Reservoir an negativer Gravitationsenergie,
gleichsam ständig genug Higgs-Feld nach, um den Raum auszufüllen. Die abstoßende
Gravitation wuchs bis zum spontanen Einfrieren des Higgs-Feldes mit wachsendem
Raumvolumen immer weiter an. Dieses Einfrieren erfolgte beim Inflaton bereits nach ca. 10-33
Sekunden, die dabei freiwerdende Energie wurde in Materie umgewandelt.
Brian Greene: „Das funktioniert, weil die Gesamtenergie des Gravitationsfeldes nicht
definiert ist. Sie kann …. daher als 'Energiespender' fungieren. „Die Energieerhaltung wird
keineswegs verletzt. Denn da ist nicht nur die Energie des Inflatonfeldes. Da ist auch die
Energie der Schwerkraft, und die ist normalerweise negativ. Deshalb können Sie sozusagen
Energie aus der Schwerkraft saugen. Und genau das geschieht während der Inflation:
Die Menge positiver Energie in Form von Strahlung und Materie wächst, aber die Menge
negativer Energie in Form von Schwerkraft auch. Dabei erzeugt die abstoßende Gravitation
die Energie, die zur Aufrechterhaltung des Inflatonfeldes im expandierenden Raum notwendig
ist. Positive Inflatonenergie und negative Gravitationsenergie heben sich dabei zu jeder Zeit
gegenseitig auf, d.h. die Gesamtenergie des Universums ist Null.“
5) Anfangsentropie: Nach Brian Greene hat das Universum durch die Inflation bezogen auf
das nun sehr viel größere Raumvolumen einen Zustand sehr niedriger Entropie angenommen,
was den Entropie-Zeitpfeil, d.h. die Entwicklung des Universums in Übereinstimmung mit
dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik, erklären würde. Bei einem Gas, das sich frei in einem
Raum ausbreiten kann, ist der Zustand größter Entropie gerade der, bei dem sich das Gas
möglichst gleichmäßig im gesamten Raum ausgebreitet hat. Genau dieser Zustand stellt sich
mit der Zeit ein, wenn man das Gas sich selbst überlässt. Das heiße Plasma, das nach der
inflationären Expansion den Raum gleichmäßig erfüllt, weist jedoch eine niedrige Entropie
auf, wenn man zusätzlich die Gravitation berücksichtigt, denn diese möchte Materie
zusammenziehen. Deshalb ist eine gleichmäßige Verteilung des Plasmas im Universum ein
Zustand sehr geringer Entropie, ein schwarzes Loch dagegen wäre der Zustand mit der
größten Entropie (für Materie einer bestimmten Masse).
Gravitation ist somit die Hauptquelle für anwachsende Entropie im Universum, Inflation wäre
die kosmische Ursache für die minimale Anfangsentropie des Universums, beides zusammen
begründet den thermodynamischen Zeitpfeil.
6) Ewige Inflation (Alexander Vilenkin): nach diesen Modellen ist die Inflation nicht
aufzuhalten. Das Inflaton soll dabei durch einen noch unbekannten Mechanismus mit einer
bestimmten Halbwertszeit in gewöhnliche sich nicht mehr aufblähende Materie zerfallen
können, aber jeweils nur lokal für eine bestimmte Raumregion. Dabei kommt es zu einem
Wettstreit zwischen der exponentiell anwachsenden Raumausdehnung mit sich ständig
nachbildenden Inflatonfeld und dessen zufälligem lokalen Zerfall. Einige Gründe sprechen
dafür, dass die Raumausdehnung diesen Wettstreit gewinnt, sodass die inflationäre Expansion
ewig weitergeht und das Gesamtvolumen des Inflatonfeldes ewig weiter anwächst.
Der Zerfall in einer Raumregion wäre zu interpretieren als das Ende des eigentlichen Urknalls
für diese Raumregion. Die Folge wäre ein fraktales Multiversum.
7. Die Materie-Ära des Universums
(1) Ende der Strahlungs-Ära und Beginn der Materie-Ära
Bisher stellte elektromagnetische Strahlung den Hauptanteil der Energiedichte im Kosmos.
Etwa 10.000 Jahre nach dem Urknall fiel die Energiedichte der Strahlung unter die der
Materie, die von nun an die Dynamik des Universums bestimmte. Zu diesem Zeitpunkt
bestand das Universum noch aus einer Suppe von heißem ionisierten Gas und Photonen. Die
Photonen hatten eine mittlere Energie von 1 eV. Die Energie von Nukleonen ist – unabhängig
von der Temperatur - etwa 1 GeV (939 MeV) gemäß E=mc2. Da es aber etwa 1 Milliarde mal
mehr Photonen als Nukleonen gab, trugen Materie und Strahlung etwa gleich viel zur
Energiedichte des Universums bei. Die zunehmende Dominanz der Materie von da an
ermöglichte die Entstehung von Sternen und Galaxien.
Bei Strahlung nimmt zusätzlich zum Abfallen der Anzahldichte der Photonen (in Folge der
Expansion des Raumes) die Wellenlänge der einzelnen Photonen durch die Abkühlung der
Strahlung zu. Dadurch sinkt die Energiedichte der Strahlung schneller als die der Materie,
die von der Dichte der Ruhemassen bestimmt wird und im Wesentlichen unabhängig von der
Temperatur ist.
(2) Entkopplung der Hintergrundstrahlung
In der Anfangsphase stand die Strahlung in permanenter Wechselwirkung mit den freien
Ladungen. Das Universum war daher undurchsichtig. Nach ca. 380.000 Jahren war die
Temperatur auf etwa 3.000 K gefallen. Bei diesem Wert bildeten Atomkerne und Elektronen
stabile Atome (Rekombination, die etwa 380.000 Jahre (Rotverschiebung z = 1100) nach dem
Urknall stattfand ). Die Wechselwirkung von Photonen mit neutralen Atomen war gering, so
dass Licht sich nun weitgehend ungehindert ausbreiten konnte. Das Universum wurde
durchsichtig. Im Verlauf der weiteren Expansion nahm die Wellenlänge der nun freilaufenden
Hintergrundstrahlung durch die Ausdehnung des Raumes zu, was sich in der Rotverschiebung
ihres Spektrums zeigt. Diese Hintergrundstrahlung ist heute messbar; sie entspricht einer
Temperatur von 2,7 o K. (siehe Kapitel CMB)
(3) Dunkle Periode und Beginn der Bildung großräumiger Strukturen
Die Dunkle Periode des Kosmos begann nach Ende der Rekombinationsphase. Es gab noch
keine Sterne, nur abkühlende Schwaden neutralen Gases aus Wasserstoff (75%) und Helium
(25%). Mit der stetigen Ausdehnung des Kosmos wurde es immer kälter und dunkler. Durch
die Abnahme des Strahlungsdrucks geriet die Materie nun stärker unter den Einfluss der
Gravitation.
Nach 40 Millionen Jahren muss die Hintergrundstrahlung in etwa Zimmertemperatur gehabt
haben.). Die Wellenlängen dieser Strahlung lagen bereits deutlich unter der des sichtbaren
Lichts im Infrarot-Bereich.
Ausgehend von räumlichen Dichtschwankungen, die möglicherweise in der inflationären
Phase aus der Entzerrung von Quantenfluktuationen entstanden sind, begann sich die Materie
in den Raumgebieten mit höherer Massendichte weiter zu verdichten und MasseAnsammlungen zu bilden. Vermutlich bildeten sich zuerst sogenannte Halos aus dunkler
Materie, die als Gravitationssenken wirkten. Während der Kosmos als Ganzes immer kälter
wurde, erhitzten sich die Wasserstoffgase, die in die Gravitationssenken strömten und sich
dort verdichteten. Eine gewisse Zeit kann der durch steigende Temperatur bewirkte Gasdruck
den Kollaps der Gaswolke unter ihrer eigenen Schwerkraft aufhalten.
Da sich aber mit zunehmender Masse-Ansammlung der Gravitationsdruck verstärkt, wurde
die Temperatur und damit der Gasdruck durch die Abstrahlung thermischer Energie in Form
von Wärmestrahlung gezähmt. (Wichtig dabei war, dass sich bei den Temperaturen von
zunächst einigen 100 bis 1000 Grad, die in diesen Wolken herrschten, Wasserstoffatome zu
H2-Molekülen verbinden, die im Gegensatz zu H-Atomen bereits in diesem
Temperaturbereich effektiv Wärme abstrahlen.). So konnte die kritische Masse erreicht
werden, bei denen diese Gaswolken zu ersten Protosternen kollabierten.
An den Schwerpunktknoten dieses von dunkler Materie gebildeten Netzes von Filamenten
und Haufen bildeten sich die ersten Megasterne. Die Verdichtungen dunkler Materie
bestimmten und bestimmen die Grundstruktur den Universums. Dunkle Materie kann aber im
Gegensatz zu normaler Materie nicht zu einem hoch kompakten Objekt kollabieren. Die
Schwerpunktknoten, in denen sich die ersten Megasterne bildeten, sind vermutlich auch heute
das gravitative Zentrum großer Galaxienhaufen. In einem solchen Zentrum befindet sich
dann vermutlich ein Schwarzes Loch, das aus dem Supernova-Kollaps eines einstigen
Megasterns entstanden ist (wie das SL in der M87 Galaxie, die das Zentrum unseres VirgoHaufens bildet).
Die ersten Sterne im Kosmos sind 550 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden.
Dies lässt sich aus dem Polarisationsmuster der kosmischen Hintergrundstrahlung ablesen, die
mit dem europäischen Satelliten Planck vermessen wurde. Die Strahlung der ersten Sterne
leitete damals nämlich die sogenannte Reionisierungsepoche ein. Diese Epoche beendete das
dunkle Zeitalter des Universums. Die Atome des im Kosmos verteilten neutralen
Wasserstoffgases wurden von den Photonen energiereicher Strahlung wieder in Protonen und
Elektronen aufgespalten. Damit wurde der Kosmos transparent für die Wellenlängen des
sichtbaren Lichts, das sonst zu Anregungen der Wasserstoffatome verschluckt worden wäre.
Dieser Vorgang war etwa 900 Millionen Jahre nach dem Urknall vollständig abgeschlossen.
Um Wasserstoff zu ionisieren ist eine Energie über 13,6 eV nötig (>= UV-Strahlung). Quelle
dieser Energien waren vermutlich erste Megasterne und Quasare (aktive Galaxienkerne) oder
(Nature 2016) „green pea“- Galaxien (hochkompakte kleine Galaxien, die große Mengen
neuer Sterne bilden).
Diese ersten Sterne enthielten anfangs nur Wasserstoff und Helium, sie hatten vermutlich eine
Masse von 100 bis 1000 Sonnenmassen daher eine kurze Lebenszeit von nur wenigen
Millionen Jahren, in denen sie ihren gesamten Kernbrennstoff durch die Fusion immer
schwerer Elemente bis hin zu Eisen aufbrauchten, bevor sie in einer gewaltigen Supernova
endeten. Dabei haben sie die im Sterninneren durch Kernfusionen gebildeten schwereren
Elemente (von Kohlenstoff bis Eisen) und die bei der Supernova entstandenen noch
schwereren Elemente in den Weltraum hinausgeschleudert. Man nennt diese erste Generation
von Megasternen auch Population III Sterne, zur Abgrenzung von den ältesten bisher
beobachteten Population II Sternen, bei denen sich in den Spektren aber schon Spuren von
Metallen nachweisen lassen.
(Klassifizierung nach Metallhäufigkeit; Population II Sterne (vorwiegend alte, rote Sterne)
und Population I Sterne (vorwiegend junge und blaue Sterne) können eine deutlich geringere
Masse und daher deutlich längere Lebensdauer haben, da die Gaswolken aus denen sie
entstehen bereits schwere Elemente enthalten und so ein effektivere Kühlung durch
thermische Abstrahlung ermöglichen, also schneller die für einen Kollaps zum Protostern
kritische Masse erreichen.
(4) Entstehung von Galaxien und Galaxienhaufen
Die kollabierenden Gaswolken hatten sich inzwischen soweit verdichtet, dass sich Sterne,
Kugelsternhaufen und erste Galaxien bildeten. Bei der Bildung von Galaxien fallen Sterne
und das interstellare Gas auf das Gravitationszentrum zu, die Galaxien geraten dadurch
in Rotation bis die Gravitation mit den nach außen wirkenden Kräfte (Zentrifugalkraft,
Gasdruck der erhitzten Materie) im Gleichgewicht ist. Es entsteht die typische Spiralform
der meisten Galaxien.
In den Sternen entstanden nun durch Kernfusion alle schwereren Elemente bis zum Eisen.
Die schwereren Sterne explodierten bereits nach wenigen Millionen Jahren als Supernova.
Während der Explosion wurden durch „Neutroneneinfang“ (Anlagerung von Neutronen
und deren teilweise Umwandlung in Protonen durch Beta-Zerfall) auch Elemente
schwerer als Eisen gebildet und gelangten zusammen mit den in den Sternen gebrannten
Elementen in den interstellaren Raum.
Diese Galaxien-Haufen nehmen solange an Ausdehnung und Mitgliederzahl zu, bis sie
alle Materie in ihrem gravitativen Einflussbereich aufgesogen haben. Da die meisten
Haufen kaum noch wachsen, ist das Universum zwischen den Haufen heute vermutlich
relativ leer. (Die noch wachsenden Galaxienhaufen kann man daran erkennen, dass das
heiße Gas in den Galaxienhaufen ständig durch neu herein stürzende Materie aufgeheizt
wird. Das Gas füllt den Galaxienhaufen gleichmäßig aus, solange es heiß genug ist, dass
der Gasdruck die gravitative Wirkung des Haufens ausgleicht; erst wenn es abkühlt, sinkt
es zum Zentrum des Haufens hin ab.)
10. Die Zukunft des Universums
Das Sonnensystem
Unsere Erde hat noch knapp eine Milliarde Jahre vor sich, bevor es dank der immer heißer
werdenden Sonne zu warm für alle Lebensformen wird. Der Mond, der vor 4,5 Milliarden
Jahren nur einen Abstand von 30.000 km hatte, wird sich von heute 380.000 km Abstand
weiter entfernen bis dann zu 402.000 km (Entfernungszunahme heute pro Jahr 3,8 cm).
Gibt es dann eine Möglichkeit für unsere evolutionären Nachfolger auf einen der äußeren
Planeten auszuwandern ?
Durch die fortschreitende Wasserstoff-Fusion zu Helium verdichtet sich der Gaskern der
Sonne, der Druck steigt weiter, die Sonne wird wärmer und heller. Seit ihrer Entstehung vor
4,6 Milliarden Jahren ist sie bereits um 40 Prozent heller geworden. Und je heller die Sonne,
umso wärmer die Erde. In 1,1 Milliarden Jahren wird die Sonne zehn Prozent heller sein als
heute und die Erde so warm, dass Wüsten die Kontinente bedecken werden. In 3,5 Milliarden
Jahren ist die Sonne 40 Prozent heller als heute, auf der Erde verdampfen die Meere. In 6,3
Milliarden Jahren, die Erdoberfläche ist inzwischen steril, ist der Wasserstoff im Kern der
Sonne aufgebraucht.Im Laufe der folgenden 1,3 Milliarden Jahre bläht sich die Sonne durch
das einsetzende Schalenbrennen auf das 100- bis 150-Fache ihrer heutigen Größe auf und
wird zu einem Roten Riesen, der die Umlaufbahn des Merkur erreicht. In 7,7 Milliarden
Jahren, also 12,3 Milliarden Jahre nach ihrer Entstehung, ist der Kern der Sonne so dicht und
heiß, dass Helium zu schwereren Elementen fusioniert. Schockwellen durchlaufen den Stern,
in mehreren gewaltigen Eruptionen stößt die Sonne ihre äußere Hülle ab. Übrig bleibt der
weiß glühende Kern aus Sauerstoff, Kohlenstoff und etwas Helium, etwa so klein wie die
Erde: ein Weißer Zwerg. Noch ein paar Milliarden Jahre, und der Himmelskörper ist kalt und
dunkel.
Das Universum:
Derzeit gibt es verschiedene Szenarien: Das Universum könnte sich zunächst weiter
ausdehnen. Mit der Zeit aber könnte die anziehende Gravitation wieder die Oberhand
gewinnen und eine Phase der Kontraktion einleiten, die schließlich in einer Art umgekehrtem
Urknall („Big Crunch“) endet, aus dem ein neuer Urknall und damit ein neues Universum
entstehen könnte. Die Ausdehnung des Raumes könnte sich aber auch so stark beschleunigen,
dass alle Materie und Materieteilchen in ferner Zukunft auseinander gerissen werden („Big
Rip“). Die meisten Forscher halten diese beiden Szenarien jedoch nach aktuellem
Wissensstand für eher unwahrscheinlich.
Man geht eher davon aus, dass das Universum sich ewig ausdehnt und die Materie dabei
zerfällt und das Universum als Ganzes den Wärmetod maximaler Entropie erleidet.
Noch ist unser Universum weit vom thermischen Gleichgewicht, also der maximalen
Entropie, entfernt. Doch irgendwann werden alle Sterne erloschen sein. Die Materie wird
nach vielen Tausend Jahrmilliarden entweder zerfallen (Stichwort Protonzerfall) oder sich in
Schwarzen Löchern zusammenfinden, die im weiter expandierenden Universum nach
Ewigkeiten aufgrund der Hawking-Strahlung zerstrahlen.
Zu guter Letzt bleibt nach heutigem Wissen vermutlich nur der Hauch eines dünnen Teilchennebels übrig, verloren in den endlosen Weiten des Raums. Das wäre dann der Wärmetod des
Universums, in dem auch die Zeit, wie wir sie kennen, ihr Ende gefunden hätte.
Lange vorher werden immer mehr heute noch sichtbare Galaxien aus unserem Blickfeld
verschwinden, oder genauer gesagt: Ihr Licht wird immer stärker rotverschoben und
verblassen, wenn die Weltlinien dieser Galaxien den Ereignishorizont durchbrechen. Alle
Galaxien, deren Abstand zu uns anwächst, überschreiten irgendwann den Ereignishorizont.
Vollkommen unsichtbar wird eine Galaxie dabei streng genommen zwar nie, aber ihr Licht
wird irgendwann so energiearm sein, dass es sich nicht mehr beobachten lässt.
Es ist ein wenig paradox: Das Universum dehnt sich immer weiter aus und wird immer älter.
Damit wird natürlich auch das beobachtbare Universum immer größer. Nur gibt es immer
weniger zu beobachten. Je weiter weg sich eine Region des Raums befindet, desto schneller
entfernt sie sich von uns. Der Anteil aller Galaxien, der von uns aus noch sichtbar ist,
schrumpft im Laufe der Zeit immer weiter. Irgendwann bleiben nur noch die in unserer
unmittelbaren Nähe, die durch die Gravitationskraft an die Milchstraße gebunden sind.
Ungefähr 100 Milliarden Jahre in der Zukunft würde von der Milchstraße aus nur noch die
lokale Gruppe der Galaxien sichtbar sein. Würde… wenn nicht all diese Galaxien schon
längst miteinander verschmolzen wäre und genau das wird schon lange vorher passieren.
Man wird von uns aus dann weder andere Galaxien noch die kosmische Hintergrundstrahlung
mehr wahrnehmen können, und alle beobachtbaren Hinweise auf die Expansion unseres
Universums werden damit verschwunden sein.
In ungefähr einer Billion Jahre wird dann auch das ganze Gas aufgebraucht sein aus dem
Sterne entstehen können. Ab diesem Zeitpunkt wird es im Universum keine neuen Sterne
mehr geben. Ungefähr 100 Billionen Jahre in der Zukunft werden alle Sterne ausgebrannt
sein. Es wird dann nur noch weiße Zwerge, Neutronensterne und schwarze Löcher geben.
In etwa 1030 Jahren wird es im Universum nur noch große schwarze Löcher und überall
verstreute Sternenüberreste geben. In 1036 Jahren werden alle Atome zerfallen sein und noch
weiter in der Zukunft (nach 1066 Jahren) werden sich auch die schwarzen Löcher dank der
Hawking-Strahlung aufgelöst haben. Spätestens nach 10106 Jahren werden auch die größten
schwarzen Löcher nicht mehr existieren. Das ist der Wärmetod des Universums.
Zyklen der Zeit (Roger Penrose):
Zyklisches Universum ohne Kontraktion; Universum entwickelt sich zu reinem
Strahlenuniversum ohne Materie, die Zeit ist nicht mehr definiert, das Universum wäre
zeitlos. Aus diesem Zustand entsteht ein neuer Urknall, und damit die Rückkehr der Zeit.
Seine Hypothese: Die Idee von Penrose ist die zyklische Geburt aus einer periodische RaumZeit-Singularität, das jeweilige Vorgängeruniversum ist aber räumlich unendlich und
expandiert beschleunigt. Wie kann aus einem unendlich Großen etwas unendlich Kleines
werden? Antwort: mit einem mathematischen Zaubertrick namens "konforme Reskalierung".
Ende und Neuanfang werden quasi zusammengeklebt. Raumzeitliche Abstände spielen in der
konformen Geometrie keine Rolle mehr, nur die kausale Struktur, repräsentiert durch die
Lichtkegel, bleibt bestehen. Damit der reibungslose Übergang von einem Zyklus zum
nächsten gelingt, müssen diverse zusätzliche Annahmen gemacht und sogar bewährte
physikalische Prinzipien über Bord geworfen werden.
Das Modell fordert also am Ende eine "zeitlose" Welt der Photonen, das heißt alle Materie
muss ihre Masse verlieren und sich in Strahlung umwandeln. Schwarzen Löcher zerstrahlen ,
nach Hawking langsam und lösen sich nach etwa 1066 Jahren auf. Für Protonen hält die
"Grand Unified Theory" die Lösung parat: Sie zerfallen nach etwa 1033 Jahren in leichtere
Teilchen. Penrose verlangt aber auch die Zerstrahlung von Elektronen, Positronen und
Neutrinos, womit ein fundamentales Prinzip verletzt wird: die Ladungserhaltung. Es müssen
aber noch weitere Tabus gebrochen werden. Eines betrifft ausgerechnet den Zweiten
Hauptsatz. Das alte Universum besitzt eine riesige Entropie in Form Schwarzer Löcher. Der
neue Urknall verlangt aber einen extrem geringen Wert! Penrose vertritt die These, dass die
Entropie eines Schwarzen Lochs (und damit die gesamte "gespeicherte" Information) mit
deren Auflösung vernichtet wird. Nicht nur der Zweite Hauptsatz wird dabei geopfert. Die
Hypothese des totalen Informationsverlusts verletzt auch wesentliche Grundlagen der
Quantenmechanik (Unitarität) und letztlich sogar den Energieerhaltungssatz!
Informationsverlust (Internet/ Wikipedia):
Die Standardtheorie ist wesentlich abhängig von Informationen, die aus dem Universum
selbst gewonnen wurden (Existenz anderer Galaxien, Rotverschiebung, Hintergrundstrahlung,
Elementhäufigkeiten usw.). Diese Informationen werden im Laufe der Zeit aber durch die
Expansion des Universums verloren gehen.Es bildet sich ein immer weiter ausgedehnter
Ereignishorizont, der jedoch im Vergleich zur Ausdehnung des Universums immer kleiner
wird. Objekte jenseits dessen, z. B. andere Galaxien, entziehen sich der Beobachtung.
• Die kosmische Hintergrundstrahlung wird immer langwelliger. Bei einer Wellenlänge
von 300 km ist sie nicht mehr in der Lage, in die Milchstraße einzudringen, sie wird
von deren Staub reflektiert.
• Durch die Nukleosynthese in den Sternen werden die Spuren der primordialen
Nukleosynthese immer mehr verwischt. Der Anteil des Heliums im Universum wird
von 24% (primordial) über 28% (heute) bis auf 60% (in einer Billion Jahren) steigen.
• Milchstraße, Andromedanebel und einige kleinere, nahegelegene Galaxien werden
sich zu einem einzigen Supersternhaufen vereinigen. Das Licht von Galaxien, die sich
heute und in Zukunft aber durch die (beschleunigte) Ausdehnung des Raumes
überlichtschnell von uns entfernen, wird uns dann nicht mehr erreichen.
All dies führt dazu, dass es bereits in 100 Milliarden Jahren für einen Beobachter in diesem
Supersternhaufen so aussieht, als würde dieser das gesamte Universum darstellen. Auch
können keine Rückschlüsse mehr auf den Urknall gezogen werden. Astronomen, die dann
eventuell leben, würden somit ein gänzlich anderes Bild von Aufbau und Entwicklung des
Universums bekommen als heute lebende. Dies hat auch zu der Frage geführt, inwieweit ein
solcher Informationsverlust unter Umständen bereits eingetreten ist, und damit auch zur Frage
nach der Zuverlässigkeit kosmologischer Theorien. Immerhin hat es mit der inflationären
Phase bereits einen solchen Informationsverlust gegeben. Durch die Inflation wurden weite
Bereiche des Universums jenseits des Beobachtbaren verschoben.
Der etwa 60 Milliarden Lichtjahre entfernte kosmologische Ereignishorizont begrenzt den
Teil des Universums, aus dem uns jemals Informationen erreichen können. Da über Bereiche
jenseits des kosmologischen Ereignishorizonts keine falsifizierbaren Aussagen gemacht
werden können, sind sie nicht Gegenstand der Physik. Diese Entfernung bezieht sich
wiederum auf die jetzige Entfernung von Punkten, die zum Zeitpunkt des Aussendens der
Signale, unmittelbar nach dem Urknall, viel dichter lagen. Dementsprechend ist die
Entfernung, von der aus uns heute ausgestrahlte Signale jemals erreichen können, viel kleiner,
nämlich etwa 16 Milliarden Lichtjahre.
Entscheidend für uns ist unser Ereignishorizont, also der Teil des Universums, den wir auch
zukünftig theoretisch maximal überblicken könnten. Er markiert gewissermaßen das aktuelle
"Ende" unserer Welt. Hinter unserem Ereignishorizont könnte außerdem - falls die
Inflationstheorie zutrifft - ein großer Teil des Universums existieren, den wir nicht
überblicken können. Man kann davon ausgehen, dass nur der Teil des Universums bis zu
unserem Ereignishorizont irgend eine Bedeutung für uns hat und auch irgendeine Wirkung
auf uns ausüben kann. Für uns existiert kein Raum mit physikalischer Bedeutung "dahinter".
Falls wir uns in Gedanken erlauben, einen mathematischen Raum dahinter zu konstruieren,
würde der nach dem Inflationsmodell noch teilweise Materie enthalten. In dem für uns nicht
sichtbaren Bereich könnte - jedenfalls prinzipiell - Unerwartetes etwa eine Unregelmäßigkeit
der Dichteverteilung der Materie existieren, die sich durch Strahlung in der vormateriellen
Frühphase des Universums nicht ausgleichen konnte und es ist möglich, dass sich auch ein
"Rand" dort verbergen kann.
12. Die weitere Geschichte des KOSMOS im Zeitraffer
- projiziert auf 1 Jahr (aus G. Hasinger, Schicksal des Universums)
Wenn man die 13, 7 Milliarden Jahren der Geschichte des Universums auf 1 Jahr projiziert,
entsprechen 433 Jahre Echtzeit einer Sekunde. Das Lebensalter eines Menschen entspricht ca.
0,2 Sekunden, nur ein Wimpernschlag, aber immerhin noch eine messbare Größe.
Nach der verkürzten Zeitskala erfolgt der Urknall am 1 Januar 0.0h, das Universum wird
durchsichtig als das Jahr gerade mal 14 Minuten alt ist. Irgendwann zwischen dem 5. und dem
13. Januar entstehen die ersten massereichen Megasterne. In den Sternen entstehen durch
Kernfusionen alle schweren Elemente bis zum Eisen, und aus den Supernova-Explosionen,
die durch Gravitationskollaps dieser Sterne ausgelöst werden, die noch schwereren Elemente.
Da diese Megasterne ihren Kernbrennstoff sehr schnell verbrauchen, erreichen sie
Lebensende auf unserer Jahresskala bereits nach einigen Stunden.
In den Tagen des 20. bis 23. Januar haben die ältesten heute bekannten Galaxien und Quasare
ihr Licht ausgesandt. Das Maximum der Sternenentstehung und des Galaxienkannibalismus
findet Ende März statt. Dann geschieht lange Monate nichts weiter, als dass, angeheizt durch
Galaxienzusammenstößen und Supernova-Explosionen, immer neue Generationen von
Sternen entstehen, und sich auch immer mehr schwere Elemente zusammenbrauen. Anfang
September entsteht auf diese Weise die Sonne und mit ihr unser Planetensystem.
Die ältesten bisher entdeckten Gesteinsformationen der Erde datieren vom 14. September, das
erste Leben auf der Erde ist vermutlich am 19. September entstanden, erste zellulare
Organismen in Form von Cyanobakterien (Blaualgen) finden sich bereits am 29. September.
Ungefähr Mitte Dezember entstanden weltweit erste Gesellschaften vielzelliger Organismen.
Am 16. Dezember ereignet sich in der sogenannten kambrischen Explosion ein wahres
Feuerwerk der Evolution, die ersten Schalen und Wirbeltiere entstehen und mit ihnen die
Baupläne sämtlicher heute noch existierender Lebewesen. Die Kontinente der Erde hingen
damals noch zusammen und bildeten den Großkontinent Gondwana.
Ungefähr zu Weihnachten, beim Übergang vom Perm zum Trias gab es auf der Erde das
schlimmste von insgesamt 5 bekannten Massensterben (Ursache unbekannt). Zwischen 70
und 95% aller Lebewesen starben zu dieser Zeit aus. Nun treten die Saurier ihren Siegeszug
an, bis zu ihrem plötzlichen Aussterben beim Übergang von der Kreidezeit in die Erdneuzeit
am 28. Dezember, vermutlich durch die Folgen eines gewaltigen Meteoriteneinschlags. Die
Dinosaurier machten Platz für eine rasche Evolution der Säugetiere. Durch Zusammenstoß
von Kontinentalplatten falten sich nun auch die großen Gebirge der heutigen Erdoberfläche
auf, der Himalaya und die Alpen. Am 31. Dezember, knapp 4 Stunden vor Mitternacht spaltet
sich die Linie der Hominiden vom Entwicklungsast der übrigen Primaten ab. Der moderne
Mensch, homo sapiens, entwickelt sich erst etwa 6 Minuten vor Mitternacht, die großen
Weltreligionen entstehen in den letzten 15 Sekunden des Kalenderjahres, die modernen
Naturwissenschaften in der letzten Sekunde.
Wie geht es auf dieser Zeitskala weiter? Etwa am 9. Februar des neuen Jahres wird die Erde
zu heiß zum Leben, das Wasser der Erde fängt an zu kochen. Etwa am 16. April werden
unsere Milchstraße und der Andromeda-Nebel zu einer Galaxie verschmelzen. Um den 10.
Juli herum wird die Sonne ihren Wasserstoffvorrat aufgebraucht haben, sich zu einem roten
Riesen aufblähen und die Gesteine der Erde zum Schmelzen bringen; ihre Oberfläche reicht
dann bis nahe an die Umlaufbahn der Erde. Das Universum selbst wird aber auch auf dieser
Zeitskala vermutlich noch Milliarden von Jahren weiterentwickeln.
III.
Der Lebenszyklus der Sterne
1. Zusammenfassung
Mit bloßem Auge sind am gesamten Himmel bei klarer, dunkler Nacht bis zu 5.000 Sterne zu
erkennen. „Der Anblick dieser scheinbar strukturlosen Punkte täuscht leicht darüber hinweg,
dass Sterne nicht nur bezüglich ihrer Entfernung, sondern auch hinsichtlich der immensen
Variationsbreiten von Temperaturen, Leuchtkraft, Massendichte, Volumen und Lebensdauer
enorme Wertebereiche überspannen. So würde man die äußersten Schichten von roten
Riesensternen nach den Kriterien irdischer Technik als Vakuum bezeichnen, während das
Innere von Neutronensternen so dicht wie ein Atomkern ist, so dass ein Teelöffel davon ca.
10.000 Tonnen wiegen würde. Ebenso reichen die beteiligten Temperaturen von wenigen
tausend bis zu mehreren Milliarden Grad Kelvin.“
Unser Wissen über den Lebenszyklus der Sterne beruht im wesentlichen aus Erkenntnis der
im Folgenden beschriebenen Zusammenhänge zwischen Spektralklasse, Leuchtkraft und
Lebensalter der Sterne einerseits, zum anderen aus den in den letzten 80 Jahren gewonnenen
Erkenntnissen über die Kernfusionsprozesse, die im inneren von Sternen ablaufen und die
Energie in Form von Gas- und Strahlendruck liefern, die den Stern gegen seine eigene
Schwerkraft im Gleichgewicht halten. Mit moderner Computer-Technologie ist es auch
möglich geworden, die bekannten Gesetzmäßigkeiten in Form von Sternmodellen zu
programmieren, und so den Lebenszyklus der Sterne im Zeitraffer zu simulieren.
Die meisten Sterne bestehen aus sogenanntem Plasma, also einem heißen, ionisiertem Gas aus
elektrisch geladenen Atomkernen und freien Elektronen. Der durch Kernfusionen im
Sterninneren erzeugte Strahlungsdruck und der durch die Hitze erzeugte Gasdruck halten den
Stern gegen wirkende Schwerkraft im Gleichgewicht. Sterne entstehen aus sich verdichtenden
Wolken von Gas und Staub, deren überwiegende Anteile die beim Urknall gebildeten
Elemente Wasserstoff und Helium bilden. Bei ausreichender Dichte und Hitze im Inneren der
Sterne zündet ein Kernfusionsprozess, bei dem je 4 Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern
verschmolzen werden. Die Massendifferenz – vier H-Kerne sind schwerer als ein HE-Kern wird dabei nach der Einsteinschen Gleichung E=mc² überwiegend in Strahlungsenergie
umgewandelt. Wenn der Wasserstoff-Vorrat im Kern aufgebraucht ist, zieht sich der Stern
unter der eigenen Gravitation weiter zusammen. Dies erhöht den Druck und damit die
Temperaturen im Inneren des Sternes. Ist die Masse des Sternes groß genug, zünden
schließlich weitere Kernfusionsprozesse, bei denen nach und nach alle schwereren Elemente
bis hin zum Eisen entstehen. Eisen ist das Element mit der höchsten Bindungsenergie, d.h. bis
hin zur Bildung von Eisen wird durch Kernfusion Energie frei gesetzt, für die Fusion noch
schwerer Elemente muss Energie aufgewendet werden. So entstehen im Verlauf des
Sternlebens im Kern des Sternes immer schwerere Elemente, bis der Stern schließlich einen
Eisenkern hat. Um den „schweren Kern“ des Sternes legen sich nach außen Schalen der
leichteren Elemente, in denen auch immer wieder Kernprozesse zünden, so setzt sich die z.B.
Fusion von Wasserstoff zu Helium in den äußeren Schalen fort.
Das Ende der Sterne setzt ein, wenn sie ihren gesamten Kernbrennstoff verbraucht haben.
Massereiche Sterne verbrennen schnell, Sterne von 10-facher Sonnenmasse haben ihren
Brennstoffvorrat schon nach 100 Millionen Jahren aufgebraucht. Gegen Ende ihrer Lebenszeit
durchlaufen Sterne einen turbulenten Prozess wechselnder stabiler und instabiler Phasen.
Abhängig von ihrer Größe schrumpfen Sterne zu weiter auskühlenden weißen Zwergen oder
enden in einer gewaltigen Supernova-Explosion, bei der die äußere Schale des Sternes
abgesprengt wird und der Kern des Sternes zu einem Neutronenstern oder Schwarzen Loch
kollabiert.
2. Das Licht der Sterne
Das was wir über Sterne in Erfahrung bringen können, entnehmen wir dem Licht, das von
diesen zu uns gelangt.
1) Was können wir beobachten?
Elektromagnetische Strahlung in ihrer gesamten Bandbreite von Mikrowellen über
Radiowellen, sichtbares Licht bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlen ist die wichtigste
kosmische Informationsquelle. Quellen sind Sterne, Galaxien, heiße Gase in und außerhalb
der Galaxien und auch der Urnebel des Universums selbst. Ultraviolett-, Röntgen- und
Gammastrahlung (Wellenlängen < 300 nm) sind nur außerhalb der Erdatmosphäre zu
empfangen. Die Atmosphäre ist für den Bereich des sichtbaren Lichtes, sowie der nahen
Infrarotstrahlung und Radiowellen (Fenster 15 MHz-100 GHz) nahezu durchsichtig.
(2) Entfernungsbestimmung für Sterne und Galaxien:
Trigonometrische Parallaxenmessung
Die Entfernung eines Sterns wurde zum ersten Mal 1838 von Alfred Bessel mittels
Parallaxenmessung bestimmt. Dabei wird der Winkel gemessen, unter dem eine Strecke
bekannter Länge (z.B. der Durchmesser der Erdbahn um die Sonne) von dem Punkt aus
erscheint, dessen Entfernung bestimmt werden soll. Für hinreichend nahe Sterne kann man
diesen Winkel dadurch bestimmen, dass ausmisst um wie viel sich der Stern gegenüber dem
fernen Sternhintergrund bei den Peilungen von entgegengesetzten Punkten der Erdbahn
verschiebt. Die trigonometrische Parallaxe ist bis zu einer Entfernung von etwa 3000 Lichtjahren (LJ) anwendbar, darüber hinaus wird sie immer ungenauer. Bei mehr als 3000 LJ wird
der mögliche Fehler schon größer als der Messwert (< 0,5 Millibogensekunden) selbst.
Eine Parallaxe von einer Bogensekunde entspricht definitionsgemäß einer Entfernung von
einem Parsec (~ 3,2 LJ).
Standardkerzen:
Wenn man die Leuchtkraft eines Sternes oder einer Galaxie ermitteln oder gut abschätzen
kann, so kann man den Abstand dieser Lichtquelle direkt aus der Differenz zwischen der
absoluten Helligkeit,die sich aus der Leuchtkraft ergibt, und der photometrisch bestimmten
scheinbaren Helligkeit ablesen. Als Standardkerzen gelten solche strahlende Himmelskörper,
deren Leuchtkraft auf Grund physikalischer Gesetzmäßigkeiten gut abgeschätzt werden
können. So kann man aus dem Spektrum eines Sterns die Temperatur seiner Oberfläche
ableiten. Da sich für die meisten Sterne (genauer: für die Sterne, die sich in der Wasserstofffusionierenden Hauptphase ihrer Entwicklung befinden) ein empirisch sehr gut begründeter
Zusammenhang zwischen Temperatur der Oberfläche und der Leuchtkraft bzw. absoluten
Helligkeit angeben lässt (Herzsprung-Russell-Diagramm, siehe Kapitel ), kann so auch
deren Entfernung bestimmen
Ein besonderer Typ von Sternen sind die sogenannten Cepheiden, das sind veränderliche
Sterne, die nach dem Stern δ-Cephei; im Sternbild Cepheus benannt sind. Sie verändern ihre
Helligkeit periodisch, wobei die abgestrahlte Lichtmenge umso größer ist, je länger die
Periode dauert. (Perioden-Leuchtkraft-Beziehung). Vergleicht man Helligkeit verschiedener
Cepheiden gleicher Periode, kann man auf deren Entfernungs-Delta schließen. Cepheiden
sind hinsichtlich ihrer Ausdehnung pulsierende, gelb-rötliche Riesensterne großer Leuchtkraft
mit Perioden zwischen 1 und 130 Tagen. Sie sind mit dem Hubble-Weltraumteleskop bis zu
einer Entfernung von etwa 60 Millionen Lichtjahren zu beobachten und eignen sich damit zur
Entfernungsbestimmung relativ naher Galaxien.
Um auch für sehr weit entfernte Galaxien (- moderne Teleskope reichen bis zu 13 Milliarden
Lichtjahre weit und damit bis in die Nähe des Urknalls zurück -) die Entfernung bestimmen
zu können eignen sich Typ1A-Supernovae als Standardkerzen. Diese Sternexplosionen sind
in ihrem Maximum nicht nur leuchtstärker als eine ganze Galaxie, sie ereignen sich immer
Leuchtkraft von Sternen: Der gesamte Energieverlust eines Sterns durch die Emission von
elektromagnetischer Strahlung wird als seine Leuchtkraft L bezeichnet und meist in Einheiten
der Sonnenleuchtkraft angegeben. Die Leuchtkraft eines Sternes gibt die Energie pro Zeit an,
die ein Stern in allen Frequenzen über seine gesamte Oberfläche abstrahlt.
Die Leuchtkraft L kann nicht direkt gemessen werden. Gemessen wird lediglich der
Strahlungsleistung (Strahlungsfluss) pro Fläche, also die Energie pro Zeit und Fläche
(Bestrahlungsstärke bzw. Strahlungsflussdichte F), typischerweise in erg/s/cm2 .
Die Leuchtkraft L einer radialsymmetrischen Lichtquelle mit Radius R ergibt sich demnach
zu L= 4π R2 F. Ein Beobachter im Abstand r misst den Strahlungsstrom s = L/(4π r2) = F R2/r2.
Die scheinbare Helligkeit m eines Sterns ist durch eine logarithmische Skala definiert, nach
dieser ergibt sich: m1-m2 =-2,5 log10 (s1/s2) für den Vergleich der scheinbaren Helligkeiten m1
und m2 von 2 Sternen. Die absolute Helligkeit M ist eine Hilfsgröße, um die tatsächliche
Helligkeit (die Leuchtkraft) von Himmelsobjekten vergleichen zu können. Sie ist definiert als
die scheinbare Helligkeit unter der das Objekt in einer Entfernung von 32,6 Lichtjahren (10
Parsec) erscheinen würde. Aus der Differenz zwischen scheinbarer und absoluter Helligkeit
lässt sich direkt die Entfernung einer Lichtquelle ableiten („Entfernungsmodul“).
Die Helligkeiten werden in mag (Magnitudo) angegeben, die heutige Skala ist logarithmisch
(ein Stern mit mag=1 ist 100-mal so hell wie ein Stern mit mag=6, dieser 100 mal so hell wie
ein Stern mit mag=11); Die Kalibrierung erfolgt durch Standardsterne; hellere Objekte als
mag=0 erhalten negatives Vorzeichen (z.B. Venus mag= -4,4, Sonne mag = -26); die Messung
erfolgt mittels photometrische Verfahren; technische Reichweite: im Hubble Extreme Deep
Field sind noch Galaxien mit einer Helligkeit von 31,5 mag erkennbar.
Chemische Zusammensetzung von Sternen: Das Licht der der Sterne enthält eine Vielzahl
schwarzer Linien, sogenannte Absorptionslinien. Diese entsprechen dem charakteristischen
Spektrum der Elemente, die sich in der gasförmigen Hülle des Sternes (seiner Photosphäre)
befinden. Dieses Gas hat eine deutlich geringere Temperatur als das heiße Innere des Sternes,
die Atome dieses Gases werden durch das Licht aus dem Stern angeregt und absorbieren aus
dem kontinuierlichen Spektrum des Sternes genau die Frequenzen (Wellenlängen), die ihren
Elektronen auf ein höheres Energie-Niveau anheben. (Diese absorbierten Frequenzen werden
zwar gleich wieder emittiert, aber überwiegend nicht mehr in Strahlungsrichtung des Sterns).
Das charakteristische Spektrum der Elemente der Gashülle zeigt sich hier daher als
Absorptionsspektrum. Aus dem Spektrum der Sterne kann man daher nicht nur auf ihre
Oberflächentemperatur sondern auch auf die chemische Zusammensetzung der Sternhülle
schließen. Auf die gleiche Weise lassen sich z.B. auch die Temperatur und die chemische
Zusammensetzung von intergalaktischen Gaswolken bestimmen, die durch das Licht der sie
durchscheinenden Sterne erhitzt werden.
Die quantitative Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des Sterninneren wird heute
durch Abgleich der gemessenen Strahlungsspektren mit theoretischen Modellen der inneren
Abläufe eines Sterns vorgenommen. Letztere simulieren die Kernfusionsprozesse und den
Energietransport bis in die äußeren Schichten des Sterns und beinhalten als Parameter unter
anderem die chemische Zusammensetzung.
Radius von Sternen: Unmittelbar messen können wir den Radius nur bei unserem nächsten
Stern, der Sonne. Aus ihrem scheinbaren Winkeldurchmesser und ihrer Entfernung von ca.
150.000.000 km erhält man für ihren Durchmesser einen Wert von ca. 1,3x106 km.
Für andere Sterne ist eine Messung der Sternradien bei Bedeckungsveränderlichen, d.h.
Doppelsternsystemen, die sich während eines Umlaufes gegenseitig bedecken und so jeweils
mehr oder weniger Lichtintensität in Richtung Erde senden, möglich.
Weitere Methode: durch Leuchtkraftvergleich mit der Sonne und Anwendung des StefanBoltzmannschen Gesetzes, das eine näherungsweise Beziehung herstellt zwischen Leuchtkraft
eines kugelförmigen schwarzen Strahlers und seiner Temperatur und Oberflächengröße.
Der Radius der Sterne liegt zwischen 1600 Sonnenradien bei Überriesen und Planetengröße
bei Weißen Zwergsternen. Der Radius ist aber nicht exakt definiert wegen der Gas-förmigen
Hülle.
Sternmasse: Die einzige direkte Methode Sternmassen direkt zu bestimmen, ist die
Anwendung des 3. Keplerschen Gesetzes auf physikalische Doppelsterne. Doppelsterne
beschreiben Ellipsenbahnen um den Schwerpunkt S des Doppelsternsternsystems. Die
Beobachtung der Bewegung dieser beiden Sterne gestattet es, ihre orbitalen Eigenschaften
(Rotationsperiode und die große Halbachse) zu ermitteln! Auch die Masse der Sonne konnte
so aus den Bahnparametern der umkreisenden Planeten berechnet werden.
Die empirisch bestimmte Masse-Leuchtkraft-Beziehung für Hauptreihensterne lautet
L ~ m3,5 . Die Masse-Leuchtkraft-Beziehung bedeutet konkret, dass ein Stern mit der
doppelten Masse der Sonne die 11,3-fache Leuchtkraft der Sonne hat. Ein Stern mit 4
Sonnenmassen ist schon 128 mal so hell wie die Sonne.
(Diese Beziehung gilt für Sterne der Hauptsequenz, also der adulten Phase, ihres Lebens wie
die Sonne und Milliarden anderer in unserer Galaxie. Die Hauptsequenz ist der Zeitraum
während der Stern sein Wasserstoff verbrennt um es zu Helium umzusetzen. Je Massiver ein
Stern ist, desto stärker strahlt er. Je schwerer ein Stern ist umso stärker ist der Druck im
Innerem, der dem Gewicht standhalten muss. Die Folge ist, das die Nukleare Reaktion in
einem höherem Tempo abläuft. Das führt zu höheren Energiefreisetzung und damit größerer
Leuchtkraft.).
Massenbestimmung durch relativistische Rotverschiebung: Diese Methode ist nur
anwendbar bei Sternen mit großer Oberflächenschwerkraft, z.B. Weißen Zwergen). Die Idee
dahinter ist, dass das Licht beim Verlassen des Sterns Arbeit gegen dessen Gravitationsfeld
leisten muss und dadurch an Energie verliert, d.h: rotverschoben wird. Aus der gemessenen
Gravitations-Rotverschiebung lässt sich die Masse ermitteln.
Rotverschiebung durch Dopplereffekt: Eine Verschiebung der charakteristischen Spektrallinien im Spektrum erhält man auch, wenn er sich auf uns zu oder von uns weg bewegt. Im
ersten Fall erreichen uns mehr Wellenberge pro Sekunde (Blauverschiebung) im zweiten Fall
weniger Wellenberge (Rotverschiebung). Dieser sogenannte Dopplereffekt wird genutzt um
die relative Bewegung von Sternen zu bestimmen.
3. Klassifikation der Sterne und ihre Hauptreihenphase
Die Klassifizierung von Sternen erfolgt anhand ihrer Spektralklasse und ihrer
Leuchtkraftklasse. Die Spektralklasse ist definiert durch die Farbe und das Lichtspektrum des
Sternes, sie gibt Auskunft über Oberflächentemperatur und Masse des Sternes sowie über die
chemische Zusammensetzung der Gase in seiner äußeren Hülle. Man unterscheidet 7
Hauptklassen, sie reichen von sehr heißen, blau bis blau-weiß leuchtenden Riesensternen
großer Masse, über gelb leuchtende Sterne vom Typ „Sonne“ bis hin zu orange bis rot
leuchtenden Sternen mit Massen und Oberflächentemperaturen kleiner als die der Sonne.
Merksatz für 7 Hauptklassen O,B,A,F,G,M: O Be A Fine Girl Kiss Me;
Beispielsterne: Rigel (B); Sirius, Wega (A); Sonne, Capella (G), Antares, Beteigeuze (M).
Die Leuchtkraftklasse ist bestimmt durch die absolute Helligkeit eines Sternes, die auch
wesentlich von seiner Größe abhängt; man unterscheidet hier 7 Hauptklassen vom Überriesen
(I) bis zum weißen Zwerg (VII). Die hellsten Sterne erreichen absolute Helligkeiten von über
100.000-fache Leuchtkraft der Sonne, die licht-schwächsten dagegen nur etwa 1/10.000-tel
der Sonnenleuchtkraft. Beispiele: Beteigeuze(I), Sirius A (V), Sonne(V), Sirius B(VII)
Ordnet man alle bekannten Sterne in ein 2-dimensionales Diagramm ein, dessen eine Achse
die Spektralklassen zeigt, die andere Achse die Leuchtkraftklasse, so häufen sich die Sterne in
diesem sogenannten Hertzsprung-Russel-Diagramm (HRD) in einigen relativ kleinen
Bereiche. Sehr schnell erkannte man, dass sich die Sterne im Lauf ihrer Entwicklung auf
bestimmten Kurven innerhalb des HRD bewegen. Aus der Position eines Sternes auf diesen
Kurven, kann man daher auf sein Entwicklungsalter und Stadium seines Lebenszyklus
schließen. Durch eine Eichung anhand der bekannten Zustandsgrößen einiger Sterne erhält
man die Möglichkeit, die Zustandsgrößen anderer Sterne unmittelbar aus ihrer Position in
diesem Diagramm abzuschätzen.
Der wichtigste Bereich des HRD ist die sogenannte Hauptreihe. Diese Reihe ist als solche
erkennbar, weil sich die meisten Sterne – auch unsere Sonne - die längste Zeit ihres Lebens
(während des Wasserstoffbrennens im Kern) dort aufhalten. Durch die Umwandlung von
Wasserstoff in Helium verändert sich der chemische Aufbau der Sterne und dadurch die Farbe
und die Leuchtkraft, entsprechend bewegt sich der Stern in der Hauptreihe. Erst beim
Erlöschen des Wasserstoff-Kernbrennens und dem Einsetzen des sogenannten
Schalenbrennens verlassen die Sterne die Hauptreihe nach rechts und oben und werden zu
roten Riesen. Die zugehörige Bahn eines Sternes in diesem Diagramm ist weitgehend durch
eine einzige Größe festgelegt, nämlich seine anfängliche Masse.
Die Sonne:
Die Sonne ist ein Stern des Spektraltyps G2 und der Leuchtklasse V. Solche Sterne sind zwar
seltener als die der „späteren“ Typen K und M, aber nicht ungewöhnlich. Sie steht nach 4,6
Milliarden Jahren knapp in der Mitte ihres etwa 11 Milliarden Jahre dauernden Lebens auf der
Hauptreihe. Die Masse der Sonne besteht heute zu etwa 73,5% aus Wasserstoff, zu 25% aus
Helium, der Rest sind schwerere Elemente. Die Temperatur im Inneren der Sonne beträgt
etwa 15 Millionen Grad, an der Oberfläche (Photosphäre) beträgt die Temperatur noch etwa
5900 Grad K. Die von der Sonnenoberfläche ausgesendete elektromagnetische Strahlung hat
ihre größte Intensität im Bereich des sichtbaren Lichts. Das Maximum liegt bei 500 nm
Wellenlänge (blau-grünes Licht), die Bandbreite reicht aber von harter Röntgenstrahlung mit
weniger als 0,1 nm bis zu langen Radiowellen. Das Frequenzspektrum der Sonne entspricht
dabei annähernd dem eines Schwarzen Körpers bei einer Temperatur von 5.900 Grad K.
Die Hauptreihenphase der Sterne
Sterne verbringen nach ihrer Entstehung den größten Teil ihrer Brenndauer (etwa 90% ihrer
Lebenszeit) auf der Hauptreihe. Während dieser Dauer wird im Kern der Sterne gleichmäßig
Wasserstoff zu Helium fusioniert. Im Verlauf der Hauptreihenphase werden die Sterne durch
die Ansammlung und Verdichtung von Helium Kern langsam größer, heißer und heller. Dies
trifft auch auf die Sonne zu, die heute etwa 40% heller ist als bei ihrer Entstehung.
Die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium findet dabei in einem Zentralbereich des Sternes
statt, der nur wenige Prozent seines Gesamtvolumens einnimmt, jedoch etwa die Hälfte seiner
Masse enthält. Die Temperatur beträgt dort über 10 Millionen Kelvin. Dort sammeln sich
auch die Fusionsprodukte an.
Wikipedia: Der weitere Verlauf der Sternentwicklung wird im Wesentlichen durch die Masse
bestimmt. Je größer die Masse eines Sternes ist, umso kürzer ist seine Brenndauer.
(Lebenszeit auf Hauptreihe ~ proportional 1/M2). Die massereichsten Sterne verbrauchen in
nur wenigen hunderttausend Jahren ihren gesamten Brennstoff. Ihre Strahlungsleistung
übertrifft dabei die der Sonne um das 100.000fache oder mehr. Die Sonne dagegen hat nach
4,6 Milliarden Jahren noch nicht einmal die Hälfte ihrer Hauptreihenphase hinter sich
gebracht. Die Hauptreihe im HRD wird durch die Sterne gebildet, die ihre Strahlungsenergie
durch Wasserstoffbrennen im Kern freisetzen.
Typische Hauptreihensterne:
1) Sonnen-ähnliche Sterne
2) Rote Zwerge sind die die kleinsten Sterne, in deren Kern Wasserstoffbrennen stattfindet.
Etwa drei Viertel aller Sterne sind Rote Zwerge. Sie leuchten so lichtschwach, dass kein
einziger von der Erde aus mit bloßem Auge gesehen werden kann. Masse 0,08- ~0,5 SM,
typisch 0,1 SM; Spektralklasse (K5-) M; Strahlung großteils im Infrarot-Bereich;
Oberflächentemperatur 2200-3800 Grad; vermutete Lebensdauer von einigen 10 Milliarden
bis Billionen Jahre; da Wärmetransport überwiegend konvektiv wird kein He-Kern gebildet
und prozentual mehr H fusioniert; Ende als Weiße Zwerge.
3) Blaue Riesen sind die massereichsten Hauptreihensterne (z.B. Spica) mit typisch 50- bis
100-facher Sonnenmasse, im Extremfall bis 300 SM. Oft auch Post-Hauptreihensterne sehr
großer Masse (z.B. Rigel). Sie gehören zur Spektralklasse O oder B, haben eine typische
Oberflächentemperatur von 30.000-40.000 Grad und strahlen vorwiegend im ultravioletten
Bereich. Ihre absolute Helligkeit beträgt typisch das 50 bis 1000-fache der Sonne (im
Extremfall das 10 Millionen-fache). Auf Grund der hohen Temperatur und des hohen Drucks
haben Blaue Riesen eine hohe Fusionsrate und durchlaufen ihre Kernbrenn-phasen sehr
schnell (das H-Brennen typisch in 10-100 Millionen Jahren) und enden dann im Allgemeinen
nach einer Übergangsphase als Roter Riese in einer Supernova (s. unten).
4) Riesensterne: allgemein nennt man die Sterne der Leuchtkraftklassen III,II,I und 0 die
Riesensterne (normale Riesen bis Hyper-Riesen). Sie kommen in allen Spektralklassen vor
und haben eine typische Helligkeit zwischen dem 10- bis 1000-fachen der Sonne. Wegen
relativ kurzer Lebensdauer gehören sie zu zur jüngsten Sterngeneration und haben schon
höheren Anteil schwerer Elemente
Gelbe Riesen (Spektralklasse F, G), ehemalige HR-Sterne kurz vor Lebensende, oft ehemalige
Blaue Riesen oder schwere HR-Sterne mit gelber Phase vor RR-Phase.
Roter Riese (Spektralklasse K,M) : Stern in der Endphase seiner Sternentwicklung (s. unten)
4. Die Energie der Sterne
Bis in die zwanziger Jahre dieses Jahrhunderts war man davon ausgegangen, dass nur die bei
der Kontraktion freiwerdende Gravitationsenergie als Energielieferant in Frage käme. Als
erster vertrat Arthur Eddington 1926 die These, dass die Sonne Kernenergie freisetzt.
Die Energie der Strahlung eines Sterns der Hauptreihe stammt aus dem Kern, überwiegend
aus der Fusionsreaktion des Wasserstoffbrennens (Proton-Proton-Reaktion), bei der vier
Wasserstoffkerne zu einem Helium-Kernen verschmelzen, wobei Gammastrahlung und
Elektroneutrinos (Schema: 4 p -> 42He + 2 e+ + 2 Neutrino + Gamma-Photonen) erzeugt
werden. Die erzeugen Helium-Kerne haben aufgrund der Bindungsenergie eine geringfügig
geringere Masse als die Summe der ursprünglichen Wasserstoffkerne, die Massendifferenz
wird dabei nach der Einsteinschen Gleichung E=mc² überwiegend in Strahlungsenergie
umgewandelt. In der Sonne werden auf diese Weise pro Sekunde 564 Millionen Tonnen
Wasserstoff zu 560 Millionen Tonnen Helium fusioniert. Die Massendifferenz wird Großteils
über die thermische Strahlung der Sonnenoberfläche als Licht abgestrahlt.
Anmerkungen:
Auch im sogenannten Bethe-Weizsäcker-Zyklus (CNO-Zyklus) wird Wasserstoff zu Helium
fusioniert, dieser liefert aber für Sterne unterhalb 1,5 SM nur einen kleinen Energieanteil,
und es wird Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff als Katalysatoren voraussetzt. Für Sterne
> 1,5 SM (ab Kerntemperatur von 18 Millionen Grad K) dominiert der CNO-Zyklus (z.B. bei
Blauen Riesen).
Die Temperatur von ca. 15 Millionen Grad und der Druck von 200 Milliarden bar im Inneren
der Sonne reichen nach klassischer Rechnung eigentlich nicht für Kernfusionen aus. Dass
dennoch Fusionen stattfinden, ist auf den quantenmechanischen Tunneleffekt zurückzuführen.
Der Energietransport an die Sternoberfläche dauert mehrere hunderttausend Jahre. Er
findet über Strahlungstransport, Wärmeleitung oder Konvektion statt. Sterne niedriger Masse
(<0,5 SM) sind voll konvektiv, Sterne mittlerer Masse (0,5–1,5 SM) haben eine radiative
Strahlungstransportzone im Kern und eine konvektive Hülle, massereiche Sterne (>1,5 SM)
haben einen konvektiven Kern und eine radiative Hülle. In der Sonne wird die Energie aus
dem Kern über 80% des Sonnenradius überwiegend durch Wärmestrahlung transportiert.
Dabei sinkt die Temperatur von 15 Millionen Grad im Sterninneren auf etwa 2 Millionen
Grad am Außenrand dieser sogenannten Strahlungszone. Der Strahlungstransport aus dem
Kern der Sonne bis zur Oberfläche dauert im Mittel durch ständige Stoßprozesse über 10.000
Jahre (typisch 25.000 Jahre, für einzelne Photonen im Extremfall bis 10 Millionen Jahre), die
Energie der thermischen Strahlung nimmt entsprechend dem Temperaturabfall in der
Strahlungszone von weicher Röntgenstrahlung auf UV-Strahlung ab. In der nach außen
anschließenden Konvektionszone wird die Energie auch stark durch Konvektionsströmungen
weitergegeben. Heiße Materie steigt auf, kühlt sich ab und sinkt wieder ins Innere der Sonne
ab, wo sie wiederum erhitzt wird und aufsteigt.
Lichtdruck (Strahlungsdruck) ist der Druck, der durch absorbierte, (wieder) emittierte oder
reflektierte elektromagnetische Strahlung auf eine Fläche wirkt. Er spielt für das innere
Gleichgewicht der Sterne eine wesentliche Rolle.
Allgemein: Strahlungsdruck ggü. Gasdruck bei massearmen Sternen vernachlässigbar, bei
extrem massereichen Sternen annähernd Gasdruck, was hydrostatisches Gleichgewicht
destabilisiert. Es gibt kritische Leuchtkraft (Eddington Grenze), welche Masse eines Sterns
begrenzt, da jenseits der Strahlungsdruck > hydrostatischer Druck (Gravitationsdruck).
Der Strahlungsdruck kommt zustande durch Streuung der Strahlung an freien Elektronen, die
Thomson-Streuung. Das Eddington-Limit ist damit die maximale Leuchtkraft, die ein Stern im
hydrostatischen Gleichgewicht haben kann, ohne instabil zu werden und seine äußeren
Schichten abzustoßen. Dessen ungeachtet kommen Sternwinde allerdings schon bei Sternen
deutlich unterhalb des Limits vor. (Grenze: Lg = 33.000 Mg/Ms x Ls, s= Sonne)
Wikipedia: Die Massenobergrenze sollte erreicht werden, wenn der Strahlungsdruck im
Gleichgewicht mit dem Druck der Gravitationskraft ist. Diese Eddington-Grenze liegt aber
bei einem Wert von nur 60 Sonnenmassen. Viele Blaue Riesen haben deutlich höhere Massen,
da in ihrem Kern der konvektive Energietransport überwiegt und folglich ein Gleichgewicht
auch noch bis zu Massen von 150 Sonnenmassen möglich ist. Diese obere Massengrenze ist
dabei abhängig von der Metallizität und gilt für Protosterne während der Sternentstehung.
Der hohe Strahlungsdruck führt zu einem schnellen Sternwind, wodurch es zu einem
Massenverlust von circa der halben Ursprungsmasse innerhalb von 10 Millionen Jahren
kommt. Noch größere Sternmassen von bis zu 250 Sonnenmassen können nur durch
Verschmelzungen von zwei massiven Sternen in einem Doppelsternsystem entstehen. Die für
diese Verschmelzungen benötigten Sterndichten liegen nur in jungen Sternhaufen vor
Konvektion und Hayashi-Linie
Bei der Konvektion wird thermische Energie durch einen Materiefluss transportiert. In
Sternen kann Konvektion im Kern und in einer äußeren Schicht stattfinden. Wie tief die
äußere Konvektionszone in einen Stern hineinreicht, ist von dessen Masse abhängig. Je
massereicher, desto tiefer recht die Konvektionszone. Dies definiert zum einen eine obere
Massengrenze für Sterne, denn die Konvektionszone kann maximal bis zum Zentrum reichen.
Ein solcher Stern ist vollkonvektiv. Noch massereichere Sterne wären instabil und können
somit nicht existieren. Diese Obergrenze liegt bei etwa ~100 SM. Zum anderen unterteilt dies
das Hertzsprung-Russel-Diagramm in zwei Bereiche. Einen, in dem hydrostatisches
Gleichgewicht möglich ist, und einen, in dem dies nicht möglich ist. Die Grenze wird als
Hayashi-Linie bezeichnet. Die Hayashi-Linie ist gerade bei der Sternentstehung und zum
Ende verschiedener Fusionsprozesse von besonderer Bedeutung.
Die Oberflächenschicht, welche die Strahlung in den Weltraum abgibt, nennt man die
Photosphäre (bei der Sonne ca. 300 km dick). Ihre Temperatur beträgt einige tausend bis
mehrere zehntausend Kelvin. So weist die Sonne eine Oberflächentemperatur von ca. 5000 o
K auf, ein Stern mit 30 Sonnenmassen eine typische Oberflächentemperatur von 40.000 o K.
Je heißer die Photosphäre eines Sternes, desto geringer ist der Anteil sichtbaren Lichtes und
desto höher der Anteil harter UV-Strahlung. Aus der Photosphäre stammen auch die
Absorptionslinien des Spektrums, aus denen sich Informationen über die chemische
Zusammensetzung der Photosphäre und die relative Sternbewegung ableiten lassen.
Neutrinos: Die bei der Kernfusion im Innern der Sonne entstehenden Neutrinos tragen 2%
der Fusionsleistung fort, sie werden nicht gestreut und durchdringen die Sonne annähernd mit
Lichtgeschwindigkeit.
Sternwind: tbs
5. Die Entstehung von Sternen und Planeten
Die meisten der heutigen Sterne sind vor etwa 10 Milliarden Jahren entstanden.
Aber auch heute bilden sich noch laufend neue Sterne in den Dichtregionen der interstellare
Gas- und Staubwolken. Diese Nebel erscheinen uns teilweise als Dunkelwolken, welche die
dahinter liegenden Sterne verdecken, teilweise als leuchtende Gas-Nebel, welche durch das
Licht heißer Sternen angeregt selbst strahlen oder das Licht einstrahlender Sterne reflektieren.
Sie bestehen aus Materie in Form von Gas-Molekülen (überwiegend Wasserstoff und Helium,
den Erzeugnissen des Urknalls) und mikroskopisch kleinen Staubteilchen, die von früheren
Sternexplosionen übrig geblieben ist.
Ausgangspunkt für die Sternentstehung ist eine solche Gaswolke, die aufgrund ihrer eigenen
Schwerkraft kollabiert. Zunächst entstehen durch Turbulenzen, Gravitation und Einwirkung
anderer Sterne lokale Verdichtungen im galaktischen Gas-und Staubnebel. Obwohl in solchen
Verdichtungen ein Gravitationsdruck nach Innen besteht, kommt es wegen des nach außen
gerichteten Gasdrucks nicht zwangsläufig zum Kollaps. Überschreitet das Dichte-Gefälle zum
Zentrum der Wolke eine kritische Grenze („Jeans-Kriterium“), kommt es zum gravitativen
Kollaps. Das Gas fängt an, sich unter Wirkung der eigenen Gravitation zusammenzuziehen
und dabei wegen der Drehimpulserhaltung immer schneller zu rotieren (Pirouetteneffekt).
Durch die Fliehkräfte der Rotation wird die umgebende Hülle des entstandenen sogenannten
Protosterns in eine Scheibenform gezwungen, es bildet sich in seiner Äquatorebene (durch
die wirkende Zentrifugalkraft) eine Materie-Scheibe aus, die den Sternembryos umkreist, und
aus der er weiter Masse aufsammelt (Akkretionsphase). Gas und Strahlungsdruck (zunächst
Wärmestrahlung im Infrarot-Bereich) sowie anfangs auch Fliehkräfte wirken der Gravitation
entgegen. Der durch die Verdichtung entstehende zunehmende Druck führt zur Erhitzung und
bei einer Temperatur von ca. 100.000 Grad K zur Ionisierung des Gases. Bei einer Temperatur
über 10 Millionen Grad Celsius im Sterninneren beginnt dort die Fusion von WasserstoffKernen zu Helium (Wasserstoffbrennen). Sobald diese thermonuklearen Kernfusionprozesse
im Innern eines Protosterns zünden, bläst der energiereiche Strahlungsdruck der Photonen und
der Sternenwind aus Materieteilchen die dichte Wolke nach und nach weg (UV bei > 8 SM).
Der junge Stern erscheint schließlich auch optisch als hell leuchtender Stern.
Anmerkungen:
1) Die Periode der Kontraktion dauert typisch insgesamt etwa 10 bis 15 Millionen Jahre.
Die Kontraktionsphase verläuft auch nicht gleichmäßig sondern über Schrumpfphasen und
Zwischenstufen hydrostatischen Gleichgewichts. Die genauen Vorgänge sind noch
Gegenstand der aktuellen Forschung.
2) Der Protostern ist während seiner ganzen Entstehungszeit eingehüllt in den Kokon der ihn
umgebenden Gas- und Staubwolke. Diese Dunkelwolken (Globule) lassen kein sichtbares
Licht durch, mit Infrarot-Teleskopen kann man jedoch auf die Protosterne im Inneren
schauen.
3) Durch innere Reibung, magnetische Kopplung und Materie-Jets wird Drehimpuls vom
Zentralkern nach außen in die„Akkretionsscheibe“ des Protosterns abgeführt, damit nehmen
die Fliehkräfte im Kern ab und dieser kann sich weiter zusammenziehen, gleichzeitig wird
Drehimpuls auf die Akkretionsscheibe übertragen. (Die genauen Prozesse sind Gegenstand
der Forschung). Im Sonnensystem stecken etwa 90% des Gesamtdrehimpulses in der
Bewegung der Planeten um die Sonne, 90% der Gesamtmasse dagegen in der Sonne.
4) Die von rotierenden, akkretierenden Protosternen (und Neutronensternen) ausgestoßenen
Materie-Jets, eng gebündelte Gasströme, die mit Überschallgeschwindigkeit ausgestoßen
werden, haben ihre Ursache vermutlich in Magnetfeldern, die in der rotierenden Scheibe
durch elektromagnetische Induktion (Dynamo-Effekt) gebildet werden.
5) Masse-reiche Sterne entstehen seltener als Masse-arme. Die Menge der Masse, die ein
Protostern ansammeln kann, ist durch die Menge an verfügbarer Materie seiner Wolke
begrenzt. Protosterne mit mehr als als 8 Sonnenmassen kontrahieren vergleichsweise schnell.
Nach der Zündung der Kernfusion treibt die energiereiche UV-und Röntgen-Strahlung die
umgebende Gas- und Staubwolken schnell auseinander und der Stern akkretiert keine weitere
Masse. Hat sich der Stern stabilisiert, so bezeichnet man ihn als ein "Hauptreihenstern".
6) Braune Zwerge sind 'verhinderte Sterne', die eher riesigen Gasplaneten ähneln ('Jupiters').
Sie haben zu wenig Masse (kleiner als 0.08 Sonnenmassen), als dass sie das thermonukleare
Feuer im Innern zünden könnten. Sie gewinnen ihre Strahlungsenergie eher aus der
Kontraktion und strahlen im Infraroten und Radiobereich. Deshalb suchen die Astronomen
sie mit Infrarotteleskopen. Das ist schwierig, weil die Braunen Zwerge einerseits sehr
leuchtschwach und andererseits sehr klein sind. Abhängig von der Masse kann vorhandenes
Deuterium und Lithium zu Helium fusionieren.
Wie viel Masse kann ein Stern ansammeln? (siehe auch Eddington-Grenze, Riesenstern)
Und um ausreichend heiß für die Kernfusion sein zu können, braucht es Temperaturen von
etwa 10 Millionen Grad. Die erreicht man nicht so leicht: Selbst im Zentrum der Erde hat es
“nur” knapp 5000 Grad und auch auf der Oberfläche der Sonne ist es nicht wesentlich
wärmer. Die für die Kernfusion nötige Temperatur wird nur im Inneren von Sternen erreicht.
Dort drücken die ganzen Gasmassen von außen auf das Zentrum und dieser Druck erzeugt die
hohen Temperaturen. Man kann nun relativ leicht ausrechnen, wie viel Masse von außen auf
das Zentrum drücken muss, damit es dort heiß genug für Kernfusion ist: Ungefähr das
75fache der Masse des Planeten Jupiter. Das entspricht in etwa dem 24.000fachen der
Erdmasse – oder 7 Prozent der Masse der Sonne.
Je heißer ein Stern ist, desto stärker ist auch der sogenannten Strahlungsdruck in seinem
Inneren. Denn die Energie, die im Zentrum bei der Fusion erzeugt wird, muss ja irgendwo
hin. Sie dringt nach außen und die Strahlung trifft dabei auf die Teilchen der Sternmaterie. Sie
drückt also nach außen und normalerweise hält sich dieser Druck die Waage mit der
Gravitationskraft der Sternmaterie, die nach innen drückt und den Stern zusammenfallen lässt.
Die exakte Obergrenze für die Masse eines Sterns zu berechnen, ist wegen der dabei
involvierten komplizierten Prozesse schwierig. Die Grenze dürfte irgendwo in der Nähe der
300fachen Sonnenmasse liegen. Der bisher schwerste bekannte Stern heißt R136a1, ist 265
Mal schwerer als die Sonne, leuchtet fast 9 Millionen Mal heller als unser Stern und befindet
sich knapp 160.000 Lichtjahre entfernt in der großen Magellanschen Wolke. (Bei sehr großen
Sternen, die aus sehr großen Gaswolken entstehen, beginnt der Fusionsprozess bereits, wenn
die Wolke noch dabei ist, zu kollabieren. Die einsetzenden starken Sternwinde reißen die
äußeren Bereiche der Wolke weg und der Stern kann nicht mehr weiterwachsen.)
Entstehung von Planeten und Doppelsternen:
Nach dem Drehimpulserhaltungssatz nimmt die Rotationsgeschwindigkeit einer sich
verdichtenden Gaswolke zu (Pirouetteneffekt). Dies führt im Zusammenspiel mit Gravitation
und Reibungseffekten zur Ausbildung und Abspaltung einer flachen, um das Zentrum des
Protosterns mit rotierenden Akkretionsscheibe aus Staub und Gas. Aus dieser kann durch
lokale Verdichtungen und gegebenenfalls die weitere Ansammlung von Materie aus dem
Umfeld des Protosterns ein Planetensystem entstehen, aber auch ein Doppelstern oder
Mehrfach-Sternsystem. Da Sterne oft in sogenannten Brutgebieten einer Galaxie entstehen,
können sich dort auch unabhängig entstehende Sterne, die nahe genug beieinander stehen
gegenseitig einfangen und dann um einen gemeinsamen Schwerpunkt bewegen. Etwa 60%
aller Sterne haben einen Doppelstern-Partner. Der hellere Partner wird mit einem A, der
lichtschwächere mit einem B bezeichnet (z.B. Sirius A und Sirius B).
Auch Planetensysteme kommen häufig vor. Man unterscheidet Fels- und Gas-Planeten.
Felsplaneten haben eine feste Oberfläche aus Gestein und Metallen und befinden sich in der
Regel auf den Innenbahnen ihres Sterns (Merkur, Venus, Erde, Mars der Sonne), Gasplaneten
haben keine feste Oberfläche und bestehen überwiegend aus Wasserstoff und Helium (Jupiter,
Saturn der Sonne ) oder auch gefrorenem Wasser-, Ammoniak und Methan-Eis, (Uranus,
Neptun der Sonne). Sie haben aber vermutlich auch einen Fels-Eisen-Kern. Sie kreisen in der
Außenzone ihres Sterns, die kalt genug ist, um die leichten Gase in mit der Tiefe zunehmend
dichteren Schichten, überwiegend in flüssiger und fester Form an sich zu binden. Die Theorie
der Planetenentstehung aus der Akkretionsscheibe eines entstehenden Sternes erklärt auch,
warum alle Planeten in Drehrichtung der Sonne um diese kreisen, und ihre Umlaufbahnen
annähernd in der Äquatorebene der Sonne liegen. (Merksatz für Planetenanordnung um die
Sonne: Mein Vater Erklärt Mir Jeden Sonntag Unseren Nachthimmel; aus G. Hasinger)
Exoplaneten: In den letzten 25 Jahren hat man bereits etwa 3600 Exoplaneten (extrasolare
Planeten) in unserer Galaxie entdeckt. Planeten können im Prinzip durch verschiedene
Methoden entdeckt werden. In den meisten Fällen wurden sie dadurch entdeckt, dass sie Licht
ihrer Sonne temporär verdunkeln, wenn sie vor dieser vorbei ziehen. Für Planeten mit
Atmosphäre kann man zukünftig mit genaueren Teleskopen auch spektrale Veränderungen des
Sternenlichts durch die Planetenatmosphäre erkennen und damit auf deren Zusammensetzung
schließen. Planeten lassen sich in vielen Fällen auch dadurch entdecken, dass sie durch ihre
Gravitation die Eigenbewegung ihres Sterns beeinflussen (sogenanntes Sternenwackeln) oder
dessen Licht bündeln. Aus den bisherigen Beobachtungen lässt sich ableiten, dass Planeten
(auch Gasplaneten) nur dann entstehen, wenn in der Akkretionsscheibe des zugehörigen
Protosterns bereits ausreichend schwere Elemente in Form von Staub enthalten sind.
Auch Doppelsternsysteme können Planeten haben. Dabei kreist der Planet entweder außen um
beide Sterne herum oder bewegt sich nur um einen der beiden, während der Partnerstern weit
genug weg ist, um die Planetenbahn zu stören. (In beiden Fällen spürt der Planet nur einen
Gravitationsschwerpunkt, um den er seine Bahn zieht). Es gibt vermutlich auch eine große
Zahl frei herumziehender planetarer Objekte (Planemos) in unserer Galaxis, die durch
gravitative Wechselwirkungen aus ihrem ursprünglichen Verbund heraus katapultiert wurden.
6. Die Entstehung der schwereren Elemente
Mit dem Erlöschen des Wasserstoffbrennens im Zentrum verlassen die Sterne die Hauptreihe.
Dies geschieht, wenn der Wasserstoffvorrat im Zentralbereich, in dem die Temperaturen hoch
genug für den Fusionsprozess ist, aufgebraucht ist (etwa 10-20% des gesamten Vorrats).
Der nachlassende Strahlungsdruck führt zu höherer Verdichtung und damit zu noch höheren
Temperaturen des Sterninneren. Dadurch werden auch die Temperaturen in einer Schale um
den alten Kern hoch genug, dass dort das Wasserstoffbrennen weitergeht (Schalenbrennen).
Sterne mit weniger als 0,3 Sonnenmassen kühlen nach Ausklingen dieses Schalenbrennens
aus und enden als Weiße Zwerge (s. unten). Sterne mit mehr als 0,3 Sonnenmassen sind im
Zentrum nun so heiß geworden, dass weitere Kernfusionsprozesse einsetzen, bei denen nach
und nach die schwerere Elemente entstehen.
Zunächst setzt im Kern das sogenannte Heliumbrennen (auch 3-Alpha-Prozess), bei dem
innerhalb einer sehr kurzen Zeit 3 Helium-Kerne (Alpha-Teilchen) zusammenstoßen müssen,
um zu einem Kohlenstoffatom zu fusionieren. Dieser Prozess kann erst bei einer Temperatur
über 100 Millionen Kelvin ablaufen. Die Sonne wird erst gegen Ende ihres Lebenszyklus, in
etwa 4 Milliarden Jahren, in der Lage sein, das Helium-Brennen zu starten, nachdem in ihrem
Kernbereich durch das Wasserstoffbrennen aller Wasserstoff zu Helium fusioniert wurde..
Das für die Entstehung des Lebens so wichtige Element Kohlenstoff (126 C) entsteht beim sehr
seltenen gleichzeitigen Zusammenstoß von 3 Heliumkernen oder über die Zwischenstufe des
instabilen Beryllium (2x 42 He -> 84 Be; 84 Be + 42 He -> 126 C). Interessant dabei ist, dass der
zweite Schritt dieses 2-stufigen Prozesses nur deshalb in der Regel vor Zerfall des instabilen
Berylliums erfolgt, weil 126 C eine sogenannte Resonanz bei 7,65 MeV hat. Zunächst Wir
verdanken unsere Existenz also gewissermaßen einer speziellen Eigenschaft des Elementes C.
Bei der Helium-Fusion verschmilzt zunächst 4He zu Beryllium 8Be. Dieses zerfällt sofort
wieder zu He (im Mittel nach 2,6 x 10-16 s). Da die Gesamtenergie von 8Be + 4He 7,37 MeV
beträgt, also gerade ein bisschen kleiner ist als diejenige von Kohlenstoff 12C mit 7,65 MeV
(eines der diskreten Energieniveaus von 12 C), ergibt sich mit der Stoß-Energie zusammen
genau die Energie eines Anregungszustandes von 12C, und 12C entsteht.
Beim Einfang eines weiteren 4He entsteht Sauerstoff 16O, aber da die Gesamtenergie von 12C +
4
He etwas größer ist als diejenige von 16O, ist keine Resonanz möglich, und 12C wird nur in
geringem Umfang in 16O verwandelt. IM Fall einer Resonanz würde kein C übrig bleiben.
Der nächste Umwandlungsschritt, bei dem Sauerstoff 16O mit α-Teilchen fusionieren würde,
um Neon 20Ne zu erzeugen, stellt sich aufgrund von Kernspinregeln als unwahrscheinlich
heraus. Daher produziert die stellare Nukleosynthese in Folge des Heliumbrennens große
Mengen an Kohlenstoff und Sauerstoff, wird aber von einer Umwandlung dieser Elemente in
Neon und schwerere Elemente weitgehend abgehalten.
Wikipedia: In der Abhängigkeit der Existenz von Kohlenstoff im Universum von der genauen
Energie eines angeregten Niveaus des Kohlenstoffkerns 12C, der passenden Energieniveaus
von Sauerstoff, die zu einer nur teilweisen Fusion von 12 C zu 16O führen und der geringen
Wahrscheinlichkeit weiterführender Fusionsprozesse nach der Synthese von Sauerstoff hat
Fred Hoyle einen Hinweis auf die Existenz einer schöpfenden Kraft gesehen. Diese spezielle
Problematik gliedert sich allerdings in den Gesamtkomplex der noch nicht verstandenen,
tatsächlichen oder scheinbaren Feinabstimmung der Naturkonstanten ein.
In ähnlicher Weise finden im Sterninneren weitere nachgelagerte Kernfusionsprozesse statt,
wenn nur die Masse des Ausgangssterns bzw. die Temperatur im Zentralbereich des Sterns
hoch genug ist um den jeweiligen Prozess zu zünden. Die Grenzen hierfür sind unscharf und
werden in den Quellen nicht einheitlich angegeben. Wasserstoffbrennen findet in allen
Sternen > 0,8 SM statt, Heliumbrennen bei allen Sternen ~0,5 SM ab einer Temperatur von
ca. 100 Millionen Grad. Dabei entsteht Kohlenstoff und Sauerstoff. Gleichzeitig mit dem
Heliumbrennen im Kern setzt sich das Wasserstoffbrennen in einer Schale fort. Die nächste
Stufe ist das Kohlenstoffbrennen, dabei entstehen ab Kerntemperaturen ab 700 Millionen
Grad (Sternausgangsmasse > 4 SM) Sauerstoff, Natrium, Magnesium und Neon. Nicht alle
Fusionsprozesse liefern dem Stern Energie (einige Fusionstypen sind endotherm, d.h. sie
benötigen Energie). Auch führt das Erlöschen des Heliumbrennens im Kern zunächst zu
einem Heliumschalenbrennen, während sich das Wasserstoffbrennen noch weiter nach außen
verlagert. Durch gravitative Kontraktion (aufgrund des reduzierten Strahlendrucks) und
Anreicherung des Kerns mit Kohlenstoff aus dem Schalenbrennen erreicht der Kern dann ggf.
die erforderliche Temperatur um das Kohlenstoffbrennen zu zünden.
Für die nächstmöglichen Stufen muss in Ausgangsmasse des Sterns schon > 8 SM sein. Die
Fusionsreaktionen laufen dabei immer schneller ab (in Folge angegeben für einen Stern mit
18 SM, 40.000facher Sonnenleistung, Quelle Wikipedia): Wasserstoffbrennen (107 Jahre),
Heliumbrennen (106 Jahre), Neonbrennen (10.000 Jahre, ab 1,5 Milliarden Grad ),
Sauerstoffbrennen (10 Jahre, ab 2 Milliarden Grad), Siliziumbrennen (1 Woche, ab 3
Milliarden Grad). Bei der letzten Brennstufe, dem Siliziumbrennen entsteht Eisen, die
Endstufe der Kernfusionen. Eisen hat die höchste Bindungsenergie aller Elemente, aus ihm
kann weder durch Fusion noch durch Kernspaltung weitere Energie gewonnen werden.
Schalenbrennen: In den Schichten um das Zentrum des Kerns laufen dabei die jeweils
vorhergehenden Fusionsreaktionen ab und wandern immer weiter nach außen. Der Stern
erhält so eine „Zwiebelschalenstruktur“.
Elemente schwerer als Eisen: sie entstehen nur im Rahmen einer Supernova (s. unten).
Bei einer solchen Sternexplosion werden nicht nur die im Sterninneren entstanden Elemente
in das Weltall hinaus geschleudert, wo sie als Baumaterial für nachfolgende Sterne und
Planeten zur Verfügung stehen, sondern in der Explosionswolke entstehen auch die
erforderlichen hohen Temperaturen von 10 Milliarden Grad und mehr, um die Kernfusion der
Elemente jenseits des Eisens zu ermöglichen: – aus Eisen wird Kobalt, aus Kobalt wird
Nickel usw. bis hin zu Gold, Platin und Uran. Die Sternexplosion ist jedoch so kurz, dass nur
eine geringe Menge dieser Elemente entstehen kann was ihr rares Vorkommen erklärt. Zu
etwa 50% entstehen diese Elemente aber auch im Schalenbrennen sehr massereicher Sterne
durch Neutroneneinfang an dort von Anfang an vorhandenes Eisen und anschließenden
radioaktiven ß--Zerfall, also die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton. (s-Prozess).
7. Die Spätphase der Sterne ( Rote Riesen und Weiße Zwerge )
Der erhöhte Strahlungsdruck durch das Wasserstoffschalenbrennen führt zu einem Aufblähen
der äußeren Schichten des Sterns. Da sich diese durch die größere Oberfläche abkühlen, wird
der Stern dann energieärmeres, rotes Licht abstrahlen, also zu einem sogenannten Roten
Riesen mutieren. Rote Riesen habe typisch etwa 100fachen Sonnenradius. Sie gehören meist
zur Spektralklasse K oder M und haben trotz ihrer geringen Oberflächentemperatur auf Grund
ihrer Größe eine enorme Leuchtkraft (absolute Helligkeit). Abhängig von der Ausgangsmasse
und der chemischen Zusammensetzung durchlaufen sie unterschiedliche Phasen in denen sich
ihre Leuchtkraft und Ausdehnung teilweise deutlich ändert, sie wandern im HRD-Diagramm.
Da die äußeren Gasschichten nur eine sehr geringe Dichte haben und daher nur noch schwach
gravitativ gebunden sind, werden große Mengen an Materie durch Strahlungsdruck als
Sternwind nach außen abgestoßen. Dazu kann es zu Schockwellen kommen, die Teile der
Außenhülle absprengen. Am Ende ihrer Lebenszeit schrumpfen Rote Riesen mit einer
Kernrestmasse < 1,4 Sonnenmassen SM (Sternausgangsmasse < 8/10 SM) zu einem Weißen
Zwerg. Die abgestoßenen Außenhüllen umgeben diesen oft noch für einige Zehntausend
Jahre als Planetarischer Nebel.
Sterne mit bis zu 0,3 Sonnenmassen führen die Fusion des Wasserstoffs in einer
wachsenden Schale um den Kern zwar fort, kollabieren bei Abkühlen des Kerns am Ende aber
relativ unspektakulär zu Weißen Zwergen.
Sterne von 0,3 bis 2,3 Sonnenmassen durchlaufen nach Einsetzen des H-Schalenbrennens
zunächst eine Unterriesen-Phase vor sie ihre maximale Leuchtkraft als Roter Riese erreicht
wird. Diese kann abhängig von der Masse des Sterns sehr unterschiedlich lange dauern (ca. 1
Milliarde Jahre bei 1 SM, ca. 40 Millionen bei 1,7 SM). Der Stern ist in diesem Stadium ein
gelber Unterriese (Spektraltyp G, Leuchtkraftklasse IV). Erst wenn im Inneren durch den
Gravitationsdruck des anwachsenden Heliumkerns eine Temperatur von 100 Millionen Grad
erreicht wird, setzt das Heliumbrennen explosionsartig (Heliumflash) ein, was zu einem
Abstoßen der äußeren kühlen Schichten führt. Nach etwa 100 Millionen Jahren ist das
Helium im Kern aufgebraucht, das Heliumbrennen setzt dann in einer Schale fort während
sich das Wasserstoffbrennen noch weiter nach außen verlagert. Schließlich erlischt auch das
Heliumbrennen und die Sterne kollabieren zu Weißen Zwergen.
Sterne von 2,3 bis ~8 Sonnenmassen: bei 4-8 SM wird nach dem Heliumbrennen noch das
Stadium des Kohlenstoffbrennens erreicht. C-Brennen ist Neutronenquelle, vorhandenes Fe
wird durch Neutroneneinfang umgewandelt (s-Prozess). Sie verlieren aber durch Sternwind
oder Bildung eines Planetarischen Nebels einen erheblichen Teil ihrer Masse und geraten
damit in der Regel unter die kritische Grenze von 1,44 SM für eine Supernova-Explosion und
werden ebenfalls zu weißen Zwergen, ggf. mit Kern aus Kohlenstoff und Sauerstoff.
Sterne mit > 8 (10) Sonnenmassen verbrennen in den letzten Jahrtausenden ihres
Lebenszyklus praktisch alle leichteren Elemente in ihrem Kern zu Eisen. Auch diese Sterne
stoßen einen großen Teil der Masse in ihren äußeren Schichten als Sternwind ab.
Sie durchlaufen am Ende ihres Lebens (als roter Überriese) die höheren Stufen der
Nukleosynthese bis zum Siliciumbrennen. Brennphasen immer kürzer, da wegen
zunehmendem Gravitationsdruck immer mehr Energie für Gegendruck erzeugt werden muss.
Hasinger: (Bei 10 SM: H-Brennen 10 MioJ, He Brennen 1 MioJ, C-Brennen 10.000 J, O
Brennen 4 J, Si Brennen 1W);
Wikipedia:
0,1-0,5 SM: nur Unterriesenphase, da nur Wasserstoffschalenbrennen, kein Heliumbrennen im
Kern; danach Schrumpfung zu WZ. Die Spätphase massearmer Sterne (Rote Zwerge) konnte
noch nicht beobachtet werden; Lebensdauer Modellrechnungen zu Folge: bei 0,1 SM: 6-12
Billionen Jahre, dann einige 100 Milliarden Jahre für Schrumpfung zu Weißem Zwerg (nur
Wasserstoffbrennen durch den ganzen Stern);
0,5-8/10 SM: Entwicklung. auf Rote-Riesen-Ast (RRA) bis Heliumbrennen bzw. Assympt.RRA bis Kohlenstoffbrennen im Kern und H- bzw. H- und He-Schalenbrennen; Phasen:
1) Unterriesenphase: Wasserstoffschalenbrennen, He-Kern & Volumen nimmt zu, Temperatur
ab, Leuchtkraft erst ~ gerade aus, dann zunehmend (Kern verdichtet, H-Schale wird heißer);
2) RRA-Phase: Heliumkern wächst und wird heißer, Konvektionsströme aus H-Schale in
Oberflächenschichten, Leuchtkraft erreicht erstes Max; ggf. bereits Zündung He-Kernbrennen
3) Horizontal-Branch: Heliumkernbrennen zündet; ggf. Heliumflash (falls bereits
hinreichender Elektron-Entartungsdruck im Kern, also bei Massen < 2.3 SM);
4) Asymptotic Giant Branch (AGB) Phase: H- und He-Schalenbrennen findet statt; HE-Schale
wird aus H-Schalle gefüttert:
5) Post-AGB: Schalenbrennen erlischt aber Kern nicht massiv genug für Kohlenstoffbrennen
> Kontraktion> Sternwind> Abstoßung Planetarischer Nebel > Zentralstern kühlt zu WZ
Massive Sterne (> 8/10 SM): Heliumbrennen im Kern setzt zeitnah zu H-Schalenbrennen ein
und bevor ein Entartungsdruck im Kern sich ausbildet. Roter Riese > A Riese mit stabiler He
Fusion > erneut Roter Riese mit Masseverlust > Supernov Typ II
Bei > 25 SM Roter Riese mit sehr viel Masseverlust > Abstoßung Wasserstoff- Hülle,
Weißer Riese Stadium > Supernova Typ 1b
Weiße Zwerge sind das Endstadium der Entwicklung eines relativ massearmen Sterns (< 8
SM), dessen nuklearer Energievorrat spätestens mit Kohlenstoffbrennen versiegt ist.
Weiße Zwerge bestehen aus heißer entarteter Materie ( Plasma aus Elektronen und leichteren
Atomkernen, Kohlenstoff und Sauerstoff ) extrem hoher Dichte von 1000 kg/cm3. Weiße
Zwerge werden durch den Entartungsdruck von Elektronen stabilisiert. Die Atome kommen
sich so nahe, dass sich die Wellenfunktionen der Elektronen überlagern. Die innere Stabilität
wird durch das Pauli’sche Ausschließungsprinzip (s. unten) erreicht in seiner Anwendung auf
die freien Elektronen. Weiße Zwerge haben typisch Massen zwischen 0,4 und 1,2
Sonnenmassen, bei einem Radius von etwa 10.000 km (etwa 1,5fache Erdgröße). Sie sind
umgeben von einer dünnen, leuchtenden Photosphäre (Oberflächentemperatur von 10.00025.000 Grad K).
(WZ-Hülle i.d.R. dünne Schicht aus H und He; WZ mit Heliumkern möglich bei
Ausgangsstern <0,5 SM, aber Lebenszeit dessen Lebenszeit dann >= 20 Milliarden Jahre;
Energietransport bis auf die dünne Außenschicht durch Wärmeleitung der
Elektronen).Plasma besteht aus zwei Phasen - dem "Rumpfgas", in dem die Atomkerne sich
wie ein ideales Gas verhalten, und dem entarteten Elektronengas - das ganz und gar nicht
"ideal" ist. Grob gesagt ist die Bewegungsfreiheit der "entarteten" Elektronen stark
eingeschränkt, da die Elektronen auf bestimmte energetische Niveaus "gepresst" wurden. Je
höher dieser Druck nach innen ist, desto "eingeschränkter" werden die Elektronen. Das hat
die bizarre Folge, dass ein weißer Zwerg einen kleineren Durchmesser hat, je größer seine
Masse ist.
8. Novae, Supernovae, Neutronensterne, Schwarze Löcher
In einem physischen Doppelsternsystem kann ein Weißer Zwerg durch Akkretion von seinem
Begleitstern weiter anwachsen. (Oft erreicht der massereichere Partner zuerst das WZStadium. Wenn der andere Partner dann ins RR-Stadium kommt und nahe genug ist, fließen
Hüllengase des RR zum WZ). Kommt es in der entstehenden bzw. sich verdichtenden HHülle des kompakten WZ zu Temperaturen, dass das H-Brennen explosionsartig zündet, so
wird die explodierende Hülle vom Stern weg geschleudert, die Leuchtkraft steigt um einen
Faktor 100 bis 100'000. Man spricht von einer Nova.
Wenn sich die akkretierte Materie ohne Hüllen-Explosion auf der Oberfläche ansammelt bis
die Masse des entarteten Elektronengases die Chandrasekhar-Grenze erreicht, kann der
Entartungsdruck des Elektronengases den Gravitationsdruck nicht mehr kompensieren. Der
Stern kollabiert, es entsteht aber kein Neutronenstern wie beim Eisenkernkollaps massereicher
Sterne, sondern zur explosionsartigen Zündung von Kernfusionen der leichteren Elemente aus
denen ein WZ besteht, also wie bei einer H-Bombe zu einer thermonuklearen Explosion, die
den Stern auseinander reißt und seine Bestandteile mit großer Geschwindigkeit in den
Weltraum schleudert. Man spricht von einer Supernova vom Typ Ia.
In der Regel aber Auskühlung zu einem Schwarzem Zwerg in Zeitraum von 1 Billiarde
Jahren oder mehr.
-------------------------------------Entartungsdruck : Dieser hat seine Ursache im Pauli-Prinzip, welches verbietet, dass zwei
Fermionen (z.B. Elektronen bei Weißer Zwerg, Neutronen bei Neutronenstern) gleichzeitig am
gleichen Ort einen identischen Quantenzustand annehmen können. Sie haben daher unter den
Bedingungen im hochverdichteten und ultraheißen Sterninnern nur noch eine
Ausweichmöglichkeit, die darin besteht, dass sie sich in ihrem Impuls unterscheiden. Alle
anderen Quantenzahlen sind belegt, und so müssen sie sich immer schneller bewegen. Und
zwar bis in den Bereich der Lichtgeschwindigkeit! Es entsteht ein Entartungsdruck (FermiDruck), welcher dem Gravitationsdruck entgegenwirkt.
-----------------------------------Neutronensterne: Bei einem Neutronenstern wird die Sternmaterie soweit zusammen
gepresst werden, dass die Elektronen in die Atomkerne „hinein gedrückt“ werden mit den
Protonen des Kerns zu Neutronen verschmelzen (p+e => n + Elektron-Neutrino, umgekehrte
Reaktion des Beta-Zerfalls) . Sie entstehen bei einer Kernkollaps-Supernova (Typ II oder
Ib/Ic), wenn der entstehende Neutronenkern zwischen 1,44 und 3,2 SM hat.
Auch nach diesem Prozess schrumpft der Kern noch weiter, bis die Neutronen einen so
genannten „Entartungsdruck“ aufbauen, der die weitere Kontraktion schlagartig stoppt.
Freie Neutronen zerfallen. In einem Neutronenstern stellt jedoch der Gravitationsdruck die
Energie zur Verfügung, die zur Stabilisierung des Neutrons erforderlich ist. Gemäß ART wird
durch diesen (positiven) Druck die Gravitation verstärkt.
Dennoch kann auch hier wieder ein stabiles Gleichgewicht durch den auf dem Pauli-Prinzip
beruhenden Entartungsdruck der Nukleonen entstehen. Die mittlere Dichte eines NS beträgt
etwa 1,5 Milliarden (Wik: ~ 500 Millionen) Tonnen pro cm³ bei einer Gesamtmasse zwischen
1,44 und 3,2 SM und einem typischen Radius von 20 km, die Fluchtgeschwindigkeit an seiner
Oberfläche etwa 2/3 der Lichtgeschwindigkeit. Das Innere eines Neutronensterns bildet eine
Art Neutronenflüssigkeit (die Neutronen berühren sich), die äußere Kruste bilden dicht
gepackte Eisenatomen.
Pulsare: Beim Kollaps der Kernzone des Vorläufersterns verringert sich sein Durchmesser
auf einen Bruchteil des vorherigen Wertes. Aufgrund des damit verbundenen Pirouetteneffekts
rotiert der Neutronenstern mit mehreren Umdrehungen pro Sekunde (schnellste bekannte
Rotationsdauer eines Pulsars: 1,4 ms) und entwickelt ein extrem starkes Magnetfeld.
Ist die Achse des Magnetfeldes gegen die Rotationsachse geneigt, so wird eine periodische
Radiowelle mit einer typischen Leistung im Bereich des 100.000-fachen der gesamten
Strahlungsleistung der Sonne abgestrahlt (dies bremst Rotation innerhalb von einigen
Millionen Jahren);
Bild: en:Image:Pulsar schematic.jpg by Roy Smits
Neutronensterne können sich – beispielsweise als kompakter Begleiter in einem
Röntgendoppelstern – durch die Akkretion weiterer Materie auch im Nachhinein noch zu
Schwarzen Löchern entwickeln. Durch das aus der Akkretionsscheibe auf die Oberfläche
stürzende Material werden Röntgenleistungen abgestrahlt, die im Bereich des 10.000-fachen
der Sonnenleistung liegen.
-----------------------------------------------------------------------------Supernovae:
Typ I: vor Explosion keine Wasserstofflinien im Spektrum des Kerns erkennbar. Sterne mit
mehr als etwa 30 Sonnenmassen durchlaufen vor ihrem Ende als Kernkollaps-Supernova eine
Phase (Wolf-Rayet-Sternphase), in der sie einen Großteil ihrer Masse (insbesondere die
komplette äußere Wasserstoff und ggf. auch Helium-Schale) als Sternwind abstoßen. Sie
explodieren dann in einer Supernova vom Typ Ib oder Ic
Typ Ia: einzige thermonukleare Supernova:
Im Gegensatz zum nicht reaktiven Eisenkern eines Typ-II-Vorläufersterns enthält der Weiße
Zwerg jedoch große Mengen an fusionsfähigem Kohlenstoff, so dass beim Kollaps eine
plötzliche Kohlenstoff-Kernfusion einsetzt und der Stern explodiert. Daher wird dieses
Phänomen auch als thermonukleare Supernova bezeichnet. Bei einer Supernova-Explosion
vom Typ Ia bleibt kein kompaktes Objekt übrig – die gesamte Materie des Weißen Zwergs
wird als Supernovaüberrest in den Weltraum geschleudert. Die freigesetzte Energie einer
Supernova-Explosion liegt innerhalb definierter Grenzen, da die Bandbreite der kritischen
Masse sowie die Zusammensetzung Weißer Zwerge bekannt ist. Diese Eigenschaft wird als
Standardkerze bezeichnet und eignet sich zur Entfernungsbestimmung
Kernkollaps-Supernova (Typ II): Die Masse des Kerns (Eisenkern) überschreitet die
Grenze von 1,44 SM. Der Kern kollabiert innerhalb von Millisekunden zum Neutronenkern
(falls < 3,2 SM, aber genaue Kriterien für Entstehung eines Neutronensterns oder SL noch
unbekannt; Bei sehr massereichen Hauptreihe-Sternen von mehr als ca. 30-40 Sonnenmassen
kann die Energie der nach außen strebenden Neutrinos die Gravitation des zurückfallenden
Materials nicht kompensieren, sodass anstelle der Explosion ein Schwarzes Loch entsteht ).
Bei dem Kollaps des Sterns werden etwa 10% seiner Gravitationsenergie freigesetzt, und
zwar im Wesentlichen durch die Emission von Neutrinos. Im Kern des Sterns entstehen
Neutrinos in durch diese Vorgänge bedingter großer Zahl und stellen ein heißes Fermigas dar.
Diese Neutrinos entfalten nun kinetische Energie und streben nach außen. Andererseits fällt
Materie äußerer Schichten des kollabierenden Sterns auf seinen Kern zurück. Dieser weist
aber bereits extremste Dichte auf, sodass die Materie abprallt Noch einfallende Materie und
eine am nicht weiter komprimierbaren Kern reflektierte Stoßwelle durchdringen sich mit
rasender Geschwindigkeit. Es entstehen extrem hohe Temperaturen und dadurch die
Elemente jenseits des Eisen.Einige Stunden nach dem Kollaps des Zentralbereichs erreicht die
Stoßfront die Oberfläche des Sterns, und die Gasmassen werden in der nun sichtbaren
Supernovaexplosion abgesprengt. Die Hülle der Supernova erreicht dabei Geschwindigkeiten
von Millionen Kilometern pro Stunde.
Hasinger:
bei Erreichen der Chandesekhar Grenze bewegen sich Elektronen des hoch komprimierten
entarteten Fe-Gases im Kern mit annähernd Lichtgeschwindigkeit, d.h. max. Entartungsdruck
erreicht.
Sie explodieren dann in einer Kernkollaps-Supernova (Typ II), sobald der Eisenkern die
Masse 1,44 SM überschreitet , wobei der übrig bleibende Sternrest zu einem Schwarzen Loch
kollabiert, sofern er noch mehr als ca. 3,2 Sonnenmassen besitzt (Tolman-OppenheimerVolkoff-Grenze). Ansonsten können Sterne bis zur fünfzehnfachen Sonnenmasse - abhängig
davon, wie viel Masse sie als Supernova verlieren - auch als Neutronenstern enden, wenn die
verbleibende Masse zwischen 1,44 und 3,2 SM liegt.
Etwa erdgroße Fe-Kugel im Zentrum kollabiert in Sekundenbruchteilen auf Durchmesser von
in 20-30 km; Temperatur steigt auf ca. 100 Milliarden Grad. Etwa 1057 Protonen und
Elektronen werden zu Neutronen und Neutrinos (inverser Betazerfall). > Neutronenstern.
Modellsimulationen ab 10 SM zeigen: Schockfront kollabierender Materie beim Aufprall auf
harten Neutronenstern wird zusätzlich angeheizt durch geringen wechselwirkenden Teil (1%)
der enormen entstandenen Neutrino-Energie; das reicht um um die Sternhülle in Supernova
abzusprengen.
Wik: Eine Supernova in der Nähe der Erde (Umkreis von etwa 50 Lichtjahren) hätte aufgrund
der Gamma-Strahlung verheerende Auswirkungen auf das dortige Leben. Als erdnächster
bekannter Kandidat für eine künftige besonders gefährliche Supernova des Typ Ia gilt IK
Pegasi in etwa 150 Lichtjahren Entfernung.
In unserer Galaxis ereignen sich geschätzt pro Jahrtausend 12-28 Supernovae
Blaue Riesen: Supernova Typ II , ggf. Typ Ib/Ic Kollaps-Supernova, wenn H-Hülle bereits
abgestoßen durch die extrem starken Sternwinde und/oder Materieabfluss an Doppelsternpartner; direkter Supernova-Kollaps oder erst nach Vorlaufphase als Roter Überriese.
Hypernovae sind Sternexplosionen noch gewaltigeren Ausmaßes als Supernovae. Solche
Sternexplosionen kommen etwa 1000-10.000 mal seltener vor als Kernkollaps-Supernovae
und können verschiedene Ursachen haben.
Paarinstabilitäts-Sn: in sehr massereichen Blauen Riesen (> 100/150 SM) entstehen im Kern
Temperaturen von 10 Milliarden Grad K. Dies führt dazu, dass sich Photonen ständig in
Elektron-Positron-Paare umwandeln (und umgekehrt). Der dadurch abfallende
Strahlungsdruck führt zu einem gravitativen Kollaps, der den Stern entweder zerreißt oder in
ein SL mündet. Im CSM-Modell kollidiert die bei der Kernkollaps-Sn eines Blauen
Überriesen weg geschleuderte Materie mit der bereits in einem Vorstadium durch Sternwinde
abgestoßenen Ring zirkumstellar Materie.
Im Kollapsar-Modell beschreibt Kernkollap-Sn, aus denen ein Schwarzes Loch entsteht.
Hierbei entsteht aus einer Kernkollaps-Sn zunächst ein Proto-Neutronenstern und eine
expandierende Materiewolke. Diese Materie erreicht jedoch nicht die Geschwindigkeit um
auszubrechen und fällt über eine Akkretionsscheibe wieder auf den Neutronenstern zurück.
Rotiert der Vorläuferstern schnell genug, so können sich entlang der Rotationsachse
relativistische Plasma-Jets (d.h. sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit emittierte
Materieauswürfe) bilden und aus dem Stern austreten. Sind die Jets in Richtung der Erde
ausgerichtet, so erscheinen sie als Gammablitze.
Wikipedia: Die Entstehung der Gammablitze ist noch nicht vollständig geklärt. Hypernovae
oder die Verschmelzung von Neutronensternen sind mögliche Ursachen. Gammablitze setzen
in zehn Sekunden mehr Energie frei als die Sonne in Milliarden von Jahren oder in wenigen
Sekunden den gesamte Energieinhalt eines Sterns. Die Dauer von Gammablitzen beträgt
wenige Sekunden bis maximal einige Minuten. Der überwiegende Anteil der Energie eines
Gammablitzes wird im Bereich der Gamma-Strahlung abgestrahlt. Den bislang hellsten
beobachteten Gammablitz registrierte der NASA-Forschungssatellit Swift am 19.März 2008.
Der Ausbruch kam von einem Objekt, das 7,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt
war. Er war 2,5 Millionen Mal heller als die leuchtstärkste bisher beobachtete Supernova und
konnte als erster GRB (englisch gamma-ray burst) mit dem bloßen Auge gesehen werden.
Durch Beobachtung des Nachglühens im Röntgenbereich (bis UV und sichtbares Licht)
konnte man beweisen, dass Gammablitze aus weit entfernten Galaxien stammen.
Schwarze Löcher
Als Schwarzes Loch bezeichnet man ein astronomisches Objekt, dessen Gravitation so hoch
ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit für dieses Objekt ab einer gewissen Grenze, dem
Ereignishorizont, höher liegt als die Lichtgeschwindigkeit. Der Ausdruck „Schwarzes Loch“
wurde 1967 von John Archibald Wheeler geprägt und verweist auf den Umstand, dass auch
elektromagnetische Wellen, wie etwa sichtbares Licht, den Ereignishorizont nicht verlassen
können und es einem menschlichen Auge daher vollkommen schwarz erscheint. Die Grenze,
ab der keine Information mehr zu einem im Unendlichen befindlichen Beobachter gelangen
kann, heißt Ereignishorizont, ihr Radius ist der Schwarzschildradius.
M.B. Die äußerst dichten Neutronensterne haben Radien nur unweit größer als der durch ihre
Masse bestimmte Schwarzschild-Radius. Das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße
hat bei mehreren Millionen Sonnenmassen etwa die Größe der Sonne.
---------------------------------------------------------------Bei einer Restmasse von > 3,2 Sonnenmassen (bei hinreichend heftiger Kollaboration ggf.
auch darunter) entsteht ein SL. Würde die Sonne „still“ zu einem schwarzen Loch
kollabieren, so ergäbe sich für dieses ein Schwarzschild-Radius von ca. 3 km. Außerhalb der
heutigen Sonnenoberfläche ergeben sich jedoch unveränderte Gravitationskräfte.
Allerdings würde der stille Kollaps zu einer die Erde verbrennenden Ausbruch an
Strahlungsenergie führen (s. Greenbaum), der erst zum Erliegen kommt, wenn die
kollabierende Sonnenmasse hinter dem Ereignishorizont verschwindet.
----------------------------------------------------------------------------------Beobachtung von Schwarzen Löchern: nur indirekter Nachweis möglich, z.B. durch
gravitative Wirkung auf umgebende sichtbare Materie (z.B. Rotationsgeschwindigkeit von
Sternen um das Zentrum unserer Galaxie, durch Gamma- und Teilchenstrahlen, die von in ein
SL stürzende Materie ausgesandt wird (z.B. auch Quasare,Gammablitze), Gravitationswellen.
Supermassereiche (auch supermassiv genannte) Schwarze Löcher können die millionen- bis
milliardenfache Sonnenmasse haben und befinden sich vermutlich in den Zentren der meisten
Galaxien. Wie sie entstanden sind und wie ihre Entstehung mit der Entwicklung der Galaxien
zusammenhängt, ist Gegenstand aktueller Forschung. So wird hinter der starken Radioquelle
Sagittarius A* (im Zentrum der Milchstraße ein supermassives Schwarzes Loch von 4,3
Millionen Sonnenmassen vermutet.
Stellare Schwarze Löcher stellen den Endzustand der Entwicklung massereicher Sterne dar.
Man vermutet bis zu 1 Milliarde solcher Schwarzer Löcher in jeder Galaxie. Stellare
Schwarze Löcher sind schwieriger nachzuweisen. Rekordhalter bei den vermuteten stellaren
Schwarzen Löchern stellt aktuell das Schwarze Loch in der Zwerggalaxie IC 10 im Sternbild
Kassiopeia mit der 24- bis 33-fachen Sonnenmasse dar. Es ist Teil eines Doppelsternsystems.
Das schwarze Loch wurde indirekt durch die in ihrer Stärke schwankende Röntgenstrahlung
des begleitenden Sterns entdeckt, was ein Hinweis auf ein periodisch die Quelle verdeckendes
Objekt sein kann.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------Quasare
Ein Quasar ist der Kern einer meist weit entfernten aktiven Galaxie, die im sichtbaren Bereich
des Lichtes wie ein Stern erscheint und ungeheure Energiemengen in anderen
Wellenlängenbereichen ausstrahlt. Daher leitet sich der Name Quasar von Quasi-Stellar
Object bzw. Quasi-Stellar Radio Source (Radioquelle) ab. Da Quasare trotz ihrer großen
Entfernung relativ hell erscheinen, gehören sie zu den leuchtkräftigsten Objekten im
Universum. Nur sehr kurzzeitig hell aufleuchtende Phänomene (Supernova,
Gammastrahlenblitz) sind möglicherweise energiereicher. Quasare sind über weite Bereiche
der elektromagnetischen Strahlung hell und haben charakteristische Spektren mit sehr breiten
Emissionslinien, die in rascher Bewegung befindliches Gas anzeigen.
Nach heutiger Annahme befindet sich im Zentrum aller Galaxien ein sehr massereiches
Schwarzes Loch, das mehrere Millionen bis Milliarden Sonnenmassen umfassen kann. Aktive
Galaxien unterscheiden sich von normalen Galaxien dadurch, dass dieses Schwarze Loch mit
der Zeit an Masse zunimmt, da Materie aus der umgebenden Galaxie (Interstellares Gas oder
zerrissene Sterne) durch die Gravitation des Schwarzen Loches angezogen wird. Die sich
dann bildende Akkretionsscheibe heizt sich durch Reibung auf, wobei gleichzeitig Teile der
Materie Drehimpuls verlieren und so in das Schwarze Loch fallen können. Die Emission der
aufgeheizten Scheibe ist das, was man als typische Strahlung des Quasars beobachtet. Sie
kann eine Leuchtkraft ähnlich der von 100 Billionen (1014) Sonnen erreichen.
7. Kosmologie als Wissenschaft
(4) Wie hilft uns moderne Technologie (Computer, Raumfahrt etc.) immer mehr zu
beobachten und zu erkennen? Kosmologie als Präzisionswissenschaft
- Teleskope im Weltall
- Computer zur Eliminierung von Störeinflüssen und Herausfiltern und Verstärkung
schwacher Signale aus sich überlagerndem Strahlungsmix
- Computer zur Durchrechnen komplexer Simulationsmodelle und Berechnung
charakteristischer Leistungsspektren
Beobachtende Kosmologie, neue Erkenntnisse zur Galaxis
1.) Meilenstein bei der Vermessung der Milchstraße: Die Europäische Weltraumagentur ESA
hat am Mittwoch in Madrid einen mit Spannung erwarteten ersten Katalog mit 1,15
Milliarden Sternen der Galaxis veröffentlicht, der auf Daten des Ende 2013 ins All gestarteten
und weltweit einzigartigen Astronomie-Teleskops "Gaia" beruht. Der Sternkatalog gibt
hochgenau Positionen und Helligkeiten der Sterne an und ist damit die bislang größte und
detaillierteste Karte unserer Milchstraße. "Gaia" vermisst seit Juni 2014 dreidimensional die
Milchstraße - aus einer Position eineinhalb Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Die
"Gaia"-Raumsonde verfügt über die größte Digitalkamera, die je für den Weltraum gebaut
wurde. Mit einer Auflösung von fast einer Milliarde Pixel ist sie Teil eines hochkomplexen
Teleskopsystems des Forschungssatelliten. Die Genauigkeit der "Gaia"-Messungen bei den
helleren der kartierten Sterne entspricht der Größe einer Eineuromünze auf dem Mond - von
der Erde ausgesehen. (Spiegel-Wissenschaft)
8. Exkurs in die Physik
Masse und Energie:
Die wesentliche Grundeigenschaft der Materie ist ihre Masse. Die Masse eines materiellen
Körpers ist ein Maß für seine Trägheit und seine Schwere. Je mehr Masse ein Körper hat,
umso mehr Kraft muss aufgewendet werden, um ihn zu beschleunigen und umso größer ist
die wechselseitige Anziehungskraft mit anderen Masse-behafteten Körpern.
Die Energie eines physikalischen Systems ist seine Fähigkeit Arbeit zu leisten. Energie gibt es
in unterschiedlichen Formen: als kinetische Energie (Bewegungsenergie) eines materiellen
Körpers ist sie proportional zu dessen Masse und dem Quadrat seiner Geschwindigkeit; als
Wärmeenergie einer Substanz (fest, flüssig oder gasförmig) ist sie proportional zu deren
Temperatur; als Strahlungsenergie ist sie proportional zur Frequenz der elektromagnetischer
Strahlung (Gamma-Strahlen, Röntgenstrahlen, Licht, Radiowellen); als potentielle Energie ist
sie enthalten in Kraftfeldern (z.B. Gravitationsfeld, elektrisches oder magnetisches Feld).
Eine der zentralen Erkenntnisse der klassischen Physik ist, dass Energie zwar vielfältig
wandelbar ist, dass dabei aber die in einem geschlossenen System enthaltene Energie in
Summe immer gleich bleibt.
Die spezielle Relativitätstheorie: Raum, Zeit und Masse-Energie
„Alles, was geschieht, geschieht in Raum und Zeit. Die sogenannte Raum-Zeit stellt die
Bühne dar, auf der alle Energieformen agieren. Wir sind auf Grund unserer direkten
Welterfahrung mit gewissen Aspekten von Raum und Zeit vertraut,- wir wissen z.B. dass der
Raum 3 Dimensionen hat, und dass die Zeit sehr verschieden vom Raum ist. Andere Aspekte
der Raum-Zeit erschließen sich nur abstraktem Denken.“/H Wesentliche Erkenntnisse der
1905 von Albert Einstein veröffentlichten Speziellen Relativitätstheorie sind:
1. Raum und Zeit hängen zusammen. Die Zeit ist nur eine spezielle „Dimension“ des RaumZeit-Gefüges, in dem sich das Weltgeschehen abspielt. In diesem sind alle geradlinig und
gleichförmig bewegten Bezugsysteme (Inertialsysteme) physikalisch einem System im
Ruhezustand äquivalent, es ergeben sich für solche Inertialsysteme für 2 Ereignisse in der
Raum-Zeit aber unterschiedliche Projektionen auf die Raum- und Zeitachsen und damit
unterschiedliche Raum- und Zeitabstände. In einem gleichförmig bewegten System wird
die Zeit relativ zu einem ruhenden System gedehnt (d.h. Vorgänge laufen langsamer ab),
Raumabstände werden dagegen aus Sicht des ruhenden Beobachters in entsprechendem
Maße verkürzt. Ereignisse, die in dem einen Bezugssystem gleichzeitig erscheinen, finden
in dem anderen zu verschiedenen Zeiten statt, was in dem einen Bezugssystem jetzt ist
oder in der Zukunft liegt, kann für einen Beobachter im anderen Bezugssystem in der
Vergangenheit oder –abhängig von der Bewegungsrichtung – noch in der Zukunft liegen.
2. Die Relativität von Zeitabständen und der Gleichzeitigkeit von Ereignissen wird durch die
Lichtgeschwindigkeit c (= ca.300.000 km/Sekunde) begrenzt. Diese ist eine
Grenzgeschwindigkeit in der Natur, es gibt keine schnellere Form der Energieübertragung;
sie kann von materiellen Körpern prinzipiell nicht erreicht werden.
3. Masse und Energie sind äquivalent, d.h. ineinander umwandelbar nach Einsteins
berühmter Formel: E= mc2. Der Energieerhaltungssatz bekommt dadurch eine erweiterte
Bedeutung. Das Universum besteht aus einer Grundsubstanz: Energie. Diese tritt in
unterschiedlichen Formen in Erscheinung, auch als Materie (Masse), und wandelt sich
nach den Gesetzmäßigkeiten der Physik, bleibt aber in seiner Menge unverändert erhalten.
Die Umwandlung von Masse in Energie findet z.B. bei den Kernfusionen im Inneren von
Sternen oder in den Atomkraftwerken auf der Erde.
Die Masse eines Körpers nimmt mit wachsender Geschwindigkeit zu (für materielle
Körper bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit gegen unendlich). Die Ruhemasse m0
ist seine Masse in einem ruhenden Bezugssystem, ihr entspricht eine Ruhe-Energie m0 c2.
Dazu ein Zitat:
Heisenberg: „Da Masse und Energie nach der Relativitätstheorie im wesentlichen das gleiche
sind, kann man sagen, dass alle Elementarteilchen aus Energie bestehen. Man kann also die
Energie als die Grundsubstanz, als den Grundstoff der Welt betrachten. In der Tat hat sie die
wesentliche Eigenschaft, die zu dem Begriff Substanz gehört: sie bleibt erhalten.“
Die allgemeine Relativitätstheorie (ART) ist von zentraler Bedeutung für das moderne
Verständnis des Kosmos. Wesentliche Erkenntnisse der 1915 erstmals veröffentlichten
Allgemeinen Relativitätstheorie Albert Einsteins sind:
1. Die Schwerkraft (Gravitation) beruht auf Krümmungen der Raumzeit durch die in sie
eingebettete Massen und Energien. Die Bewegung von Masse und Energie (z.B. Licht)
unter Wirkung der Schwerkraft ist daher nichts anderes als eine Bewegung entlang der
von diesen selbst hervorgerufenen Krümmungslinien des dreidimensionalen Raumes.
Raumzeit und „Massenenergie“ bilden eine untrennbare Einheit. Die Raumzeit wird durch
die in sie eingebettete Massenenergie geformt.
Die Krümmung der Raumzeit ist anschaulich nicht vorstellbar, sie kann aber anhand
zweidimensionaler Analogien verdeutlicht werden: So wie eine Eisenkugel in ein
aufgespanntes Tuch eine Delle drückt, in welche eine andere Kugel hinein rollen kann, so
„fallen“ gravitierende Massen entlang der von ihnen erzeugten Krümmungslinien des
Raumes aufeinander zu. Auch unser Universum könnte analog einer 2-dimensionalen
Kugeloberfläche gekrümmt sein, also endlich sein und doch ohne Rand.
2. Aber nicht nur Materie, jede Form von Energie unterliegt der Gravitation und erzeugt
Gravitationswirkung. Lichtstrahlen werden durch gravitierende Massen abgelenkt. Wird
einem Körper durch Erhitzen Energie zugeführt, so erhöht das seine Gravitationswirkung.
Auch Druck in einem Raumbereich liefert einen Beitrag zu dessen Gravitationswirkung.
Negativer Druck in einem Raumbereich kann dagegen eine abstoßende Gravitation
hervorrufen. Dieses Phänomen wird als mögliche Treibkraft des Urknalls diskutiert.
3. Die Zeit wird in der Nähe gravitierender Massen gedehnt, und zwar umso stärker je
stärker die durch die Gravitation bewirkte Raumkrümmung ist. Im Zentrum eines
Schwarzen Loches würde die Zeit unendlich verlangsamt. (Singularität der Raum-Zeit).
Die Struktur der Materie:
Die Materie kann zergliedert werden in kleinste Bausteine, die Atome. Die Struktur des
Atoms wurde in den ersten 3 Jahrzehnten des 20. Jahrhundert erforscht. Danach bestehen die
Atome aus einem kleinen Atomkern aus Protonen und Neutronen und einer Hülle aus
Elektronen. Der Kern enthält mehr als 99,9% der Masse des Atoms, seine Dimension ist aber
einen Faktor 10.000 kleiner als die des Atoms (10-14 zu 10-10 m), ein Atom besteht demnach
zum größten Teil aus „leerem Raum“. Das Elektron und Proton sind Träger der elektrischen
negativen bzw. positiven Elementarladung, d.h. der kleinsten in der Natur vorkommenden
elektrischen Ladung. Das Neutron ist elektrisch neutral. Auch das Atom ist im Normalzustand
elektrisch neutral, da es in diesem Zustand aus gleicher Anzahl von Elektronen und Protonen
besteht, der Ladungen sich gegenseitig aufhebt. Die Anzahl der Protonen eines Atoms, die
Kernladungszahl, bestimmt seine chemischen Eigenschaften als „Grundelement“.
Es gibt 92 in der Natur vorkommende Grundelemente (wie Wasserstoff, Helium, Sauerstoff,
Kohlenstoff, Eisen, etc.). Aus diesen setzen sich dann alle weiteren chemischen Verbindungen
(Moleküle) zusammen. Die Bausterne des Kerns, Neutron und Proton, nennt man auch
Nukleonen. Proton und Neutron sind in etwa gleich schwer (ca. 10-27 kg), das Neutron ist
etwas schwerer als das Proton, beide sind etwa 1000-mal leichter als das Elektron. Die Anzahl
der Nukleonen in einem Atom bestimmt dessen Massenzahl. Man schreibt z.B. 42He für das
Helium-Atom mit 2 Protonen und 2 Neutronen (Massenzahl 4 und Kernladungszahl 2).
Jedes Grundelement hat eine „bevorzugte“ Anzahl von Neutronen (z.B. Wasserstoff =0,
Helium =2), Abweichungen davon werden als Isotope bezeichnet (z.B. das Wasserstoff-Isotop
Deuterium 21De mit 1 Proton und 1 Neutron). Atome verbinden sich zu Molekülen. Zwei
Wasserstoff- und ein Sauerstoff-Atom ergeben z.B. ein Atom H20 des Stoffes ‚Wasser‘. Die
organischen Bausteine des Lebens bestehen aus sehr komplexen Molekülen mit zum Teil
hunderttausenden von Atomen.
Quanten-Physik:
Kernaussage der Quantentheorie ist, dass Vorgänge in der Natur nicht kontinuierlich sondern
sprunghaft erfolgen. Ferner sind diese Vorgänge nicht beliebig genau vorhersagbar, sondern es
sind nur Aussagen über die Wahrscheinlichkeit des Eintretens gewisser Ereignisse möglich.
Diese „Quanten-Effekte“ treten jedoch erst bei der Beobachtung molekularer, atomarer oder
subatomarer Systeme in Erscheinung.
Die Geburtsstunde der Quantenphysik begann mit der Erkenntnis, dass Energie immer in
kleinsten Paketen, sozusagen „gequantelt“ übertragen wird. Daher kann man Licht nicht nur
als Welle (bzw. als schwingendes elektromagnetisches Feld) auffassen, sondern auch als
Strahl von Lichtteilchen (Photonen). Umgekehrt kann man jedes materielle Teilchen auch mit
einer Schwingung assoziieren, deren Frequenz proportional zur Massenenergie des Teilchens
ist. Der Ort des Teilchens ist in diesem Bild in gewisser Weise unbestimmt oder unscharf, so
wie auch die Schwingung räumlich ausgedehnt ist und als Wahrscheinlichkeitsfunktion für
den Aufenthaltsort des Teilchens interpretiert werden kann. Teilchen und Welle (bzw.
schwingendes Feld) beschreiben also unterschiedliche Aspekte derselben Dinge, je nach
Experiment kommt mehr der Teilchen- oder mehr der Wellen-Charakter von Massenenergie
zum Ausdruck.
Diese Dualität von Welle und Teilchen folgt aus der Heisenbergschen Unschärferelation,
welche besagt, dass sich sogenannte „ komplementäre Messgrößen“ eines Quantensystems
nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmen lassen. Das bekannteste Beispiel für ein Paar
solcher komplementärer Messgrößen sind Ort und Impuls eines Teilchens. Je genauer man
eine der beiden Größen misst, desto unschärfer werden die Messergebnisse für die andere
Größe. Das Produkt aus Ortsunschärfe ∆x und Impulsunschärfe ∆p muss größer sein als das
sogenannte Plancksche Wirkungsquantum (∆x ∆p > = ħ). Erzwingt die Versuchsanordnung
eine genaue Ortsbestimmung, so bleibt der Impuls völlig unbestimmt, die Versuchsanordnung
weist auf ein Teilchen hin, das sich mit unbekannter Geschwindigkeit im Raum bewegt.
Erzwingt man dagegen eine genaue Impulsbestimmung, so ist der Ort unbestimmt, das
Versuchsergebnis lässt sich am besten als eine Wellenfunktion beschreiben, welche die
Wahrscheinlichkeiten für den Aufenthaltsort des Teilchens angibt. Eine analoge Relation gilt
für die Energieunschärfe ∆E einer Messung bei einer Messdauer ∆t (∆E ∆t > = ħ). Die
Unschärferelation ist nicht die Folge von Unzulänglichkeiten des Messvorgangs, sondern
prinzipieller Natur. Sie ist eine fundamentale, unausweichliche Eigenschaft der Welt.
Materie- und Kraftteilchen: Eine der großen Entdeckungen der Physik ist, dass sich alles
Geschehen in der Welt, alle Formen der Massenenergie, durch das Wirken sehr weniger Arten
von Teilchen erklären lässt. Dabei kann man zwischen zwei Teilchenklassen unterscheiden:
Materieteilchen, auch Fermionen genannt, und Kraftteilchen, auch Bosonen genannt.
Materieteilchen: Die Bausteine des Atomkerns, Proton und Neutron sind nicht die letzten
Bausteine der Materie. In hoch-energetischen Stoßprozessen lassen sie sich weiter zerlegen in
sogenannte Quarks. Zu den fundamentalen Bausteinen der normalen Materie gehören weiter
das Elektron und das Neutrino. Das Neutrino und sein Anti-Teilchen, das Anti-Neutrino, sind
extrem leichte und sich nach ihrer Freisetzung fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegende
Teilchen und daher sehr schwer nachweisbar. Beide Teilchen sind elektrisch neutral, haben
aber eine entgegengesetzte „ “ und entstehen bei gewissen Kernreaktionen, an denen die
sogenannte „schwache Wechselwirkung“ beteiligt ist. So zerfällt das nicht im Atomkern
gebundene Neutron in etwa 15 Minuten von allein nach der Reaktion:
(1) Neutron -> Proton + Elektron + Anti-Neutrino
Protonen und Elektronen sind dagegen auch als freie Teilchen als stabil. Bei Zuführung von
Energie kann jedoch auch die umgekehrte Reaktion stattfinden:
(2) Proton -> Neutron + Positron + Neutrino.
Diese Reaktion spielt bei Kernfusionen im Inneren der Sterne, z.B. bei der Umwandlung von
vier Wasserstoffkernen (Protonen) in einen 42 Helium-Kern, eine zentrale Rolle. Beide
Reaktionen treten auch beim radioaktiven Zerfall von instabilen Atomkernen mit zu vielen
Neutronen oder zu vielen Protonen auf, dem sogenannten Beta-Zerfall.
Antimaterie besteht aus nahezu den gleichen Elementarteilchen wie normale Materie, mit
dem Unterschied, dass bei den jeweiligen Anti-Teilchen gewisse physikalische Größen, wie
z.B. elektrische Ladung, Farbladung und schwache Ladung, entgegen gesetzte Werte
annehmen. Das „Anti-Elektron“ ist positiv geladen und heißt Positron, das Anti-Proton hat
entsprechend eine negative Ladung. Anti-Materie hat in unserer Welt der normalen Materie
keinen Bestand. Teilchen und Anti-Teilchen vernichten sich bei Zusammenstoß gegenseitig.
(Umwandlung von Masse in Energie). Photon und Anti-Photon sind identisch.
Naturkräfte: Wir kennen heute vier fundamentale Naturkräfte, die Gravitationskraft, die
elektromagnetische Kraft, die starke und die schwache (Kern-) Kraft. Die Gravitationskraft
wirkt auf alles, was Massenenergie trägt, auf materielle Teilchen ebenso wie auf Kraftfelder
und Strahlung. Sie wirkt als anziehende Kraft (theoretisch kann sie in bestimmten Situationen
auch abstoßend wirken). Die Gravitation ist die bei weitem schwächste Naturkraft. Sie wirkt
praktisch nur bei großen Massen, sie ist bestimmend im Bereich der Sterne und Planeten, im
Atom ist sie vernachlässigbar.
Die elektromagnetische Kraft setzt Teilchen mit elektrischer Ladung voraus und wirkt nur
zwischen diesen. Teilchen mit gleicher Ladung stoßen sich ab, mit entgegengesetzter Ladung
ziehen sich an. Elektron (negativ) und Proton (positiv) sind die Träger der Elementarladung,
der kleinsten in der Natur vorkommenden Ladung. Gemeinsam mit den Gesetzen der
Quantenphysik bestimmt der Elektromagnetismus die Struktur der Elektronenwolken der
Atome und kontrolliert damit das chemische Verhalten aller Atome und Moleküle, auch jener,
aus denen wir bestehen. Die elektromagnetische Kraft spielt über größere Entfernungen hin
jedoch keine Rolle, da die Atome und Moleküle der Materie in der Regel elektrisch neutral
sind (gleich viele Elektronen und Protonen enthalten). Überall, wo in der Natur elektrische
Ladung sichtbar wird, ist das letztendlich auf einen lokalen Überschuss bzw. Mangel an
Elektronen zurückzuführen . Da die elektrische Abstoßungskraft zwischen den positiv
geladenen Protonen des Atomkerns sehr viel stärker wirkt als die Gravitationskraft, muss es
eine weitere Naturkraft geben, welche den Atomkern zusammenhält. Dies ist „starke Kraft“.
Sie ist die weitaus stärkste Naturkraft, wirkt aber nur auf die sehr kurze Entfernung
(Atomkerndurchmesser). Letzteres gilt auch für die vierte bekannte Naturkraft, die „schwache
Kraft“, die für die Umwandlungen zwischen Neutronen und Protonen (z.B. beim Betazerfall
oder bei Kernfusionen in den Sternen) verantwortlich ist.
Kraftteilchen: Nach der Quantenfeldtheorie gehört zu jeder fundamentalen Kraftwirkung der
Natur ein spezifisches Kraftteilchen, das diese Kraft überträgt. Diese „Kraftteilchen“, die ein
Objekt mit der zugehörigen „Kraftladung“ umschwirren, werden zwischen Objekten mit
gleicher Kraftladung ständig ausgetauscht und übertragen so die wirkende Kraft. Daher nennt
man die Kräfte auch Wechselwirkungen. Diese Kraftteilchen, die eine Kraftladung ständig
aussendet, bewegen sich innerhalb der Grenzen der Heisenbergschen Unschärferelation, d.h.
für das von Ihnen transportierte Energie-Granulat ∆E und die Zeit ∆t, die sie außerhalb der
Kraftladung verbringen gilt ∆E ∆t < ħ. Kraftteilchen werden daher auch als virtuelle Teilchen
bezeichnet, sie lassen sich nur indirekt (über ihre Wirkung) nachweisen.
Die elektromagnetische Wechselwirkung koppelt Elementarteilchen, welche eine elektrische
Ladung tragen, das sind Elektronen, Quarks und Protonen (im Neutron neutralisieren sich
positiv und negativ geladene Quarks). Sie wird durch (virtuelle) Photonen vermittelt.
Die starke Kraft koppelt Elementarteilchen, die eine sogenannte „Farbladung“ tragen, sie
wird durch Gluonen vermittelt und wirkt zwischen Quarks (und damit indirekt zwischen
Protonen und Neutronen des Kerns) und zwischen den Gluonen selbst. Der weitaus größte
Teil der Masse eines Atomkerns kommt nicht aus der Ruhemasse seiner Quarks, sondern aus
der Energie seiner Gluonen.
Die schwache Kraft koppelt Elementarteilchen, die die sogenannte „schwache Ladung“
tragen und wird durch W- und Z-Bosonen vermittelt. Sie wirkt zwischen allen Materieteilchen
und ist wie die starke Kraft von elementarer Bedeutung für die Stabilität der Atome. Von den
Kraftteilchen haben nur W- und Z-Bosonen eine positive Ruhemasse.
Die Schwerkraft koppelt alle Teilchen, die Massenenergie tragen (alle Materie- und KraftTeilchen) und wird durch Gravitonen vermittelt. (Diese tragen eine so geringe Energie, dass
sie als einzige Kraftteilchen noch nicht experimentell nachgewiesen sind)
Die in der Natur vorkommenden Materie- und Kraftteilchen lassen sich durch ihre Masse, ihre
elektrische-, Farb-, und schwache Ladung und ihren Spin charakterisieren. Der Spin ist eine
physikalische Größe, welcher die Eigenrotation der Teilchen charakterisiert. Er kann die
Absolutwerte ½ oder 0,1,2 annehmen. Der Kehrwert des Spins gibt an, nach wie vielen
Eigenrotationen ein Teilchen wieder „genau so ausschaut“ wie zuvor, für den Spin ½ also
nach 2 Umdrehungen, für Spin 1 nach einer, für Spin 2 nach einer halben Umdrehung. Der
Spin 0 bedeutet, dass das Teilchen in jeder Drehlage gleich ausschaut.
Ein entscheidende Unterschied zwischen Materie- und Kraftteilchen ist der Spin.
Alle Materieteilchen haben Spin ½, während alle Kraftteilchen ganzzahligen Spin haben.
Man kann zeigen, dass Teilchen mit Spin ½ und nur diese dem sogenannten Pauli Prinzip
unterliegen, welches grob besagt, dass gleichartige (!) Teilchen nicht den gleichen Ort und
zugleich den gleichen Impuls haben können. Wenn man zwei solche Teilchen an einem Ort
zusammen bringt, treibt sie der notwendig unterschiedliche Impuls sofort wieder auseinander.
Das Pauli-Prinzip ist verantwortlich für die Stabilität der Atome und damit der Materie; es
erklärt auch, warum wir nicht durch eine geschlossene Tür hindurch gehen können, obwohl
die Atome der Materie ja überwiegend aus leerem Raum bestehen, während sich Kraftfelder
ohne weiteres durchdringen können.
Quantenfluktuationen und Energie des Vakuums: in der klassischen Physik ist ein Vakuum
ein Raumbereich, aus dem alle Materie und Strahlung entfernt sein sollte. Aus der
Unschärferelation der Quantentheorie folgt jedoch, dass das Vakuum mit Fluktuationen
spontan entstehender virtueller Materie- oder Kraft-Teilchen erfüllt sein kann, die sich für
kurze Zeit aus dem Nichts Energie leihen, und nach so kurzer Zeit wieder verschwinden, dass
die Unschärferelation (E △t < h) für diese Teilchen erfüllt bleibt. Das Vakuum selbst muss
natürlich in dieser kurzen Zeit eine entsprechend negative Energie haben.
Als Indiz für die Existenz solcher Vakuum-Fluktuationen gilt vielen Physikern der sogenannte
Casimir-Effekt. Dieser Effekt bewirkt, dass auf 2 parallele leitende Platten eine Kraft wirkt,
die diese Platten zusammendrückt und die umso größer wird, je näher man die Platten
zusammen bringt. Dieser Effekt lässt sich mit einem Unterdruck zwischen den Platten
begründen, der dadurch entsteht, dass sich zwischen den Platten nur solche virtuelle Teilchen
(Photonen) bilden können, deren Wellenlängen mit dem Abstand der Platten in Resonanz sind.
Vakuumenergie gilt als einer der Kandidaten für die in der Kosmologie postulierte „dunkle
Energie“, welche für eine beschleunigte Expansion des Kosmos in den letzten 7 Milliarden
Jahren verantwortlich gemacht wird. Der aus dem Casimir-Effekt abgeleitete Wert der
Energiedichte des Vakuums ist jedoch etwa um den Faktor 10120 niedriger als er nach bisher
durchgeführten Berechnungen für die dunkle Energie sein müsste.
Kräfte im Gleichgewicht:
Das Universum wird beherrscht von der Gravitationskraft, der einzigen Naturkraft die auf
große Entfernungen wirkt. Die starke und schwache Wechselwirkung wirken nur im atomaren
Bereich, auch die elektromagnetischen Kräfte haben nur eine begrenzte Reichweite und
Wirkung, da sich positive und negative Ladungen im Großen neutralisieren.
Im Bereich der Atome (z.B. zwischen 2 Protonen) ist die Gravitation jedoch 1036-mal
schwächer als die elektrische Kraft, diese wiederum 100-mal schwächer als die starke Kraft.
Die relative Schwäche der Gravitation ermöglicht eine makroskopische Welt. Die Vielzahl
stabiler Formen bis zur Größe von Sternen ergibt sich aus einem dynamischen Gleichgewicht
zwischen der Gravitation, welche die Massen des Weltalls zusammen zieht und Gegenkräften,
welche die Teilchen der Materie auseinander treiben.
Alle Körper bis zur Größe von Planeten werden durch die stabilen Elektronenhüllen der
Atome im Gleichgewicht gehalten, die durch die elektrische Abstoßung dafür sorgen, dass die
Atome nicht zu nahe zusammen rücken. Sterne entstehen aus sich verdichtenden Gasnebeln,
die durch ihre Eigengravitation soweit zusammen gepresst werden, bis sich die Struktur der
Gasatome zu einem sogenannten Plasma aus frei herum schwirrenden Ladungsträgern
(Elektronen und Atomkerne) auflöst und im Inneren Temperaturen erreicht sind, bei denen
atomare Kernreaktionen gezündet werden. Die Sterne werden (über einen Großteil ihres
Lebenszyklus) durch den Gas- und Strahlungsdruck im Gleichgewicht gehalten, die ihre
Energie aus den Kernfusionsprozessen im Inneren der Sterne beziehen.
Wenn der Kernbrennstoff verbraucht ist verdichten sich die Sterne weiter zu sogenannter
entarteter Materie. Bei dieser ist nicht nur die Atomstruktur der Materie aufgelöst, die
Elektronen rücken so nahe zusammen, dass eine Art Elektronenflüssigkeit entsteht, oder sie
werden sogar in die Atomkerne „hinein gedrückt“ und verschmelzen mit den Protonen des
Kerns zu Neutronen (Neutronenstern). Aber auch dann kann dem gravitativen Sog in das
Zentrum oft durch die Wirkung quantenphysikalischer Gegenkräfte widerstanden werden, die
sich nach dem Pauli Prinzip ergeben.
Erst wenn die Massen-/Energiedichte eine gewisse Grenze überschreitet ist der endgültige
Gravitationskollaps nicht mehr aufzuhalten. Es entsteht ein Schwarzes Loch, das so heißt,
weil ihm nichts, auch kein Licht mehr entweichen kann, was ihm zu nahe kommt, was den
sogenannten Schwarzschild-Radius unterschreitet.
Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie stürzt die Massenenergie im Inneren des Schwarzen
Lochs in eine Raum-Zeit-Singularität zusammen, d.h. die Massenenergie verdichtet sich auf
einen Punkt (mit Volumen 0), die Dichte der Massenenergie geht gegen Unendlich, die Zeit
dehnt sich unendlich in die Länge (bleibt stehen).
Grenzen der modernen Physik:
Das Universum Im Großen wird von der Gravitationskraft beherrscht und damit von den
Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART). Das physikalische Geschehen im
Kleinen, auf atomarer und subatomarer Ebene dagegen wird beherrscht von den drei anderen
Naturkräften und den Gesetzen der Quantenphysik. Wenn große Mengen von Massenenergie
auf kleinstem Raum verdichtet werden, braucht man beide Theorien. Je größer dabei die
Energiedichte wird, umso mehr gerät man dabei auch an die Grenzen der heute als bewiesen
anerkannten Physik. Dies ist insbesondere Fall, wenn man die Expansion des Universums
zurück bis in die Nähe des Urknalls verfolgt, oder die Verdichtung von Sternenplasma bis an
die Grenze, an denen der Kollaps zum Schwarzen Loch erfolgt. Urknall und Schwarzes Loch
bedingen nach der ART eine Singularität der Raumzeit mit unendlich hoher Energiedichte, ein
Zustand der mathematisch formulierbar, aber physikalisch unsinnig ist.
Betrachten wir ein Sternenplasma, das immer weiter verdichtet wird:
Für einen Neutronenstern sind die bekannten Gesetze der Quantenphysik und der allgemeinen
Relativitätstheorie noch widerspruchsfrei anwendbar. So lässt sich die innere Stabilität eines
Neutronensterns über die Quantenphysik (Pauli-Prinzip) begründen.
Bei noch höheren Energiedichten und damit höheren Temperaturen kommt man in einen
Bereich, bei dem die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung zu einer elektroschwachen Wechselwirkung verschmelzen. Diese Verschmelzung wurde auch schon
experimentell nachgewiesen und wird theoretisch im Standardmodell der ElementarteilchenTheorie begründet.
Bei noch höherer Energiedichte soll auch die starke Wechselwirkung mit der elektroschwachen zu einer vereinheitlichten Kraft verschmelzen. Eine theoretische Begründung
dieses Postulats ist die ansatzweise entwickelte sogenannte GUT-Theorie.
Bei noch höheren Energiedichten kommt man jedoch an eine Grenze für die Anwendbarkeit
der bekannten Gesetze der Physik. Diese Grenze wird durch die sogenannte Planck Skala
markiert. Planck-Länge, Zeit und Masse lassen sich durch die fundamentalen Naturkonstanten
(G, h, c) definieren. Die Planck-Länge ist um einen Faktor 1020 kleiner als der Durchmesser
eines Protons. Die Planck-Zeit wird dabei definiert als die Zeit, die ein Lichtstrahl braucht,
um die Planck-Länge zu durchlaufen. Die Planck-Masse beträgt zwar nur etwa 1/5000 der
Masse eines Flohs, die Planck-Masse in einem Würfel mit der Seitenlänge der Planck-Länge
hätte allerdings die gleiche Dichte wie eine Billion Sonnen komprimiert auf die Größe eines
Protons.
Entartete Materie – Fermidruck
Wenn Fermionen (z.B. Protonen, Elektronen oder Neutronen) zu großer Dichte konzentriert sind, tritt
der Gravitation, die die Dichte noch zu erhöhen versucht, ein Entartungsdruck (auch: Fermi-Druck)
entgegen. Der Entartungsdruck wirkt dem Gravitationsdruck entgegen und hat seine Ursache im
Pauli-Prinzip, das verbietet, dass zwei Fermionen einen identischen Quantenzustand annehmen
können. Daher würde eine weitere Kompression bedeuten, dass sich Fermionen in höhere
Energiezustände begeben müssten.
Weiße Zwerge werden durch den Entartungsdruck ihres Elektronengases stabilisiert.
In einem physischen Doppelsternsystem kann ein Weißer Zwerg durch einen Akkretionsfluss von
seinem Begleitstern weiter anwachsen. Wenn seine Masse dabei die Chandrasekhar-Grenze erreicht,
kann der Entartungsdruck den Gravitationsdruck nicht mehr kompensieren. Man könnte nun
vermuten, es entstünde ein Neutronenstern. Stattdessen kommt es durch die ansteigende Temperatur
und Dichte zu neuen Kernfusionsreaktionen und es entsteht eine Supernova vom Typ Ia.[1]