Expedition ins Weltall

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Expedition ins Weltall –
eine Reise zu Aliens und Schwarzen Löchern
Das Universum, seine Galaxien, Sterne und Planeten faszinieren die Menschen seit jeher. Inzwischen haben wir dank modernster Teleskope
enormes Wissen über die Entwicklung des Kosmos seit dem Urknall. Immer mehr Planeten, Lichtjahre entfernt von unserem
Sonnensystem, werden entdeckt. Die Frage, ob in diesen fernen
Welten Lebewesen existieren, bleibt spannend
OKTOBER
WELTALL
Ins Universum, zu Galaxien und Sternen:
3sat begibt sich auf eine spannende Entdeckungsreise fern unseres Planeten.
5 DO, 20.15
wissen aktuell: Expedition ins
Weltall · NEU
Dokumentation (104 Min) · ARD/SWR/3sat
Einen Abend lang erkundet 3sat in Dokumentationen die Tiefen des Universums und zeigt: Astronomisches Wissen ist nicht nur wichtig, sondern
überlebenswichtig.
19 DO, 20.15
Kosmische Strahlung
· NEU
Dokumentation (45 Min) · 3sat
Um dem Rätsel der kosmischen Strahlung auf die
Spur zu kommen, geben in der Dokumentation
Wissenschaftler von weltweit führenden Forschungszentren Auskunft über den Stand ihrer
Arbeit.
21.00
scobel – Aufbruch ins All
· NEU
Gesprächssendung mit Gert Scobel (59 Min) · 3sat
Bei Moderator Gert Scobel steht jede Woche ein
Thema im Mittelpunkt, das er in einer interdisziplinär besetzten Expertenrunde diskutiert. Dieses
Mal geht es um den Wunsch des Menschen, den
Kosmos zu erkunden und nach neuen Lebenswelten zu suchen. Und das, obwohl es für uns Menschen keine lebensfeindlichere Umgebung als das
Weltall gibt.
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Bild: ESA
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Atacama Pathfinder Experiment (APEX) heißt ein unter anderem vom Max-PlanckInstitut für Radioastronomie betriebenes Radioteleskop in der chilenischen AtacamaWüste. Es besitzt einen Reflektordurchmesser von 12 Metern und ist Teil des Event
Horizon Telescope
Die erste Naturwissenschaft, die vom Menschen betrieben
wurde, ist die Astronomie. Schon immer haben Menschen in
den Sternenhimmel geschaut und versucht, den Lauf der Gestirne und die Geschehnisse am Nachthimmel zu verstehen.
Heute wissen wir erheblich mehr über das Universum als jemals zuvor in der Menschheitsgeschichte. Wir verstehen, wie
sich Galaxien über Zeiträume von Milliarden von Jahren entwickeln und wie Sterne entstehen und wieder vergehen. Wir
haben sogar eine detaillierte Vorstellung davon, wie sich das
Universum selbst seit dem Urknall entwickelt hat und weiterentwickeln wird, wie es sich beschleunigt ausdehnt und dabei immer kälter wird. Der entscheidende Grund für diesen
enormen Zuwachs an Wissen über den Kosmos besteht darin,
dass sich die Beobachtungstechnologie der Astronomie und
Astrophysik in den vergangenen Jahrzehnten massiv weiterentwickelt hat: Während Astronomen über Jahrtausende zur
Beobachtung des Universums nur das optische, sichtbare Licht
nutzen konnten, können wir heute auf die Informationen des
gesamten elektromagnetischen Spektrums zurückgreifen: von
der harten energiereichen Gamma- und Röntgenstrahlung bis
zu langwelligen Radiowellen. Gleichzeitig werden unsere Teleskope immer empfindlicher und können stetig feinere Details
aufzeichnen. Diese Fortschritte haben dazu geführt, dass wir
insbesondere in Bezug auf zwei Fragestellungen immer mehr
herausfinden, die wohl jeden Menschen interessieren, egal wie
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Der Kepler-Satellit (rechts), der 2009 von der Nasa gestartet
wurde, hat ganze 2337 der mehr als 3500 aktuell bestätigten
Exoplaneten gefunden
Heute wissen wir erheblich mehr
über das Universum als jemals
zuvor in der Menschheitsgeschichte
er ansonsten zu astronomischen Themen steht, schon allein
weil sie immer wieder Stoff für Science-Fiction-Filme liefern:
die Frage nach außerirdischem Leben und die nach der Natur
Schwarzer Löcher.
sehr schwierig ist: Anders als Sterne leuchten sie nicht selbst,
sondern werden nur angestrahlt, wobei der Zentralstern selbst
so hell ist, dass er seine planetaren Begleiter vollkommen überstrahlt. Um die Exoplaneten trotzdem nachweisen zu können,
haben Astronomen raffinierte Methoden entwickelt.
Die Suche nach Leben, Lichtjahre entfernt
Intelligentes Leben haben wir jenseits der Erde zwar nach wie
vor nicht gefunden – zum Glück, wenn man dem vor feindlichen Aliens warnenden Stephen Hawking Glauben schenkt –,
wir entdecken aber immer mehr Orte, die zumindest theoretisch geeignet wären, fremdem Leben eine Heimat zu bieten.
Der erste Exoplanet, also ein Planet außerhalb unseres eigenen Sonnensystems, der einen unserer Sonne ähnlichen Stern
umkreist, wurde erst 1995 identifiziert: 51 Pegasi b, der in
rund 40 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Pegasus zu finden ist. Nur wenige Jahre zuvor war es überhaupt zum ersten
Mal gelungen, Exoplaneten zu entdecken. HD 114762 b, der
etwa 132 Lichtjahre von der Erde entfernt mit einer Umlaufzeit von nur 84 Tagen einen metallarmen Stern umkreist, war
1989 der erste Kandidat. 1992 wurde ein weiterer Exoplanet
entdeckt, der einen Pulsar und einen Weißen Zwerg (einen
kleinen, kompakten alten Stern) in einem Kugelsternhaufen
umrundet, also in einer Umgebung, die unserer eigenen wenig
ähnelt. Dass erst vor rund 30 Jahren die ersten Exoplaneten
beobachtet werden konnten, liegt daran, dass ihre Entdeckung
Eine davon ist die Transitmethode. Sie funktioniert dann, wenn
die Bahn des Planeten so ausgerichtet ist, dass er regelmäßig vor
seinem Stern vorbeiläuft. Dabei fängt der Planet einen Teil des
vom Stern ausgesandten Lichts ab, wodurch der Stern kurzzeitig etwas dunkler wird. Daraus, wie stark der Stern von seinem Begleiter verdunkelt wird und wie oft dies passiert, kann
man bereits erste Informationen über die Eigenschaften des
Planeten wie dessen Bahnradius und Größe gewinnen, wenn
man gleichzeitig die Entfernung des Sternsystems kennt. Der
Kepler-Satellit, der 2009 von der Nasa gestartet wurde, arbeitet mit dieser Methode. Die Mission stellt die bislang erfolgreichste Planetensuche dar und hat 2337 der mehr als 3500
aktuell bestätigten Exoplaneten gefunden. Daneben hat Kepler
knapp 4500 Planetenkandidaten geliefert, deren Status noch
durch weitere Beobachtungen geklärt werden muss. Vor diesem
Hintergrund können wir heute sagen, dass Planetensysteme
im Universum alles andere als eine Seltenheit darstellen. Die
These, dass unser eigenes Sonnensystem etwas Besonderes ist,
erscheint zunehmend gewagt. Die große Frage ist nur: Könnte
in diesen fernen Welten auch Leben existieren?
Bild: pa/dpa/mplfr/belloche, arnaud · pa/ap/nasa
Bild: ESA
Illustration eines supermassereichen Schwarzen Lochs. Sichtbar gemacht
sind die Röntgenemission aus dem inneren Bereich (pink) und die vom
Umgebungsfeld ausströmenden ultraschnellen Winde (violett)
Um diese Frage beantworten zu können, gehen Astronomen
zunächst davon aus, dass Leben flüssiges Wasser benötigt. Alles
Leben, das wir von der Erde kennen, scheint so zu funktionieren, und ohne Zweifel ist Wasser ein sehr gutes Lösungsmittel
für den Aufbau von Zellen. Für einen Exoplaneten bedeutet
diese Anforderung, dass er nicht zu heiß und nicht zu kalt
sein darf, denn sonst wäre alles Wasser entweder verdampft
oder gefroren, der Planet muss sich daher als erstes in genau
dem richtigen Abstand von seinem Heimatstern befinden, in
der sogenannten habitablen Zone. In unserem Sonnensystem
liegt offensichtlich die Erde in dieser Zone, die Venus ist etwas zu nah an der Sonne, Mars liegt ebenfalls darin. Allerdings ist der Bahnradius eines Planeten nur ein ungefährer Anhaltspunkt für dessen Oberflächentemperatur. Zweitens und
ganz entscheidend hängt diese nämlich von der Atmosphäre
des Planeten ab. Hätte die Erde keine Atmosphäre, die einen
Treibhauseffekt hervorruft, würde hier auch nur eine mittlere
Temperatur von -18 Grad Celsius herrschen. Auch der Mars
könnte einmal eine dichte Atmosphäre besessen haben, denn
es gibt einige Anhaltspunkte dafür, dass es auf seiner Oberfläche in der Vergangenheit Ozeane gegeben hat.
Warten auf Antwort von den Aliens
Den ersten Exoplaneten, von dem man annahm, dass er sich
in der habitablen Zone befindet, hat man 2007 entdeckt.
Gliese 581d ist etwa siebenmal so schwer wie die Erde und
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befindet sich von uns nur rund 20 Lichtjahre entfernt im
Sternbild Waage. Als erste „Supererde“ regte Gliese 581d sofort nach seiner Entdeckung die Fantasien der irdischen Alienfans an. Im Jahr 2009 wurden Textnachrichten gesammelt, die
von der Nasa mithilfe des australischen Canberra Deep Space
Communication Complex an die potenzielle Alienwelt gesendet wurden. Noch sind die Nachrichten nicht bei ihrem Adressaten angekommen, aber ohnehin ist mittlerweile fraglich, wie
groß die Erfolgschancen der Aktion überhaupt gewesen sind,
denn verschiedene Modellrechnungen werfen Zweifel auf, dass
die Bedingungen auf Gliese 581d tatsächlich lebensfreundlich
sind. Wie auch immer diese Kontroverse letztendlich entschieden wird, inzwischen häufen sich die Beobachtungen „zweiter
Erden“. Allein Kepler hat 30 Exoplaneten entdeckt, die weniger als die zweifache Masse der Erde besitzen und ihren Stern
in der habitablen Zone umkreisen. Besonders spektakulär war
in diesem Jahr die Entdeckung des Trappist-1-Systems, in dem
40 Lichtjahre von uns entfernt gleich sieben Planeten einen
roten Zwergstern umkreisen, von denen sich drei in der habitablen Zone befinden könnten.
Eine endgültige Entscheidung über die tatsächlichen Bedingungen auf den bisher entdeckten Exoplaneten und die dortige Existenz von Leben ist aber erst eindeutig möglich, wenn
wir Informationen über die Zusammensetzung der planetaren
Atmosphären erhalten. Zu diesem Zweck wird im kommenden Jahr das James Webb Space Telescope der Nasa starten,
das im infraroten Wellenlängenbereich mögliche Atmosphären von Exoplaneten chemisch entschlüsseln kann. Dann wird
es beispielsweise möglich sein, direkt nach der Existenz von
Wasser, Methan oder Sauerstoff zu suchen. Das James WebbWeltraumteleskop wird auch dabei helfen, die Entstehung und
Entwicklung Schwarzer Löcher im Zentrum von Galaxien besser zu verstehen, auch wenn dies nicht sein Haupteinsatzfeld
ist. Es gibt andere Teleskope, die sich stärker auf dieses Thema
konzentrieren, wie zum Beispiel das geplante Square Kilometre
Array, in dem tausende Antennen und Teleskope in Südafrika und Australien zusammengeschaltet werden, um das junge
Universum zu einem Zeitpunkt zu durchmustern, als sich die
ersten Sterne und Schwarzen Löcher bildeten.
Ein Teleskop – groß wie unsere Erde
Schwarze Löcher gehören zu den wahrscheinlich exotischsten
Phänomenen unseres Universums. Nachdem Einstein 1915
erstmalig im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die vierdimensionale Raumzeit postuliert hatte, die von
Massen verzerrt wird, berechnete der deutsche Astronom Karl
Schwarzschild im darauffolgenden Jahr, dass kompakte Massen den Raum so stark krümmen können, dass nicht einmal
Licht ihrer Schwerkraft entkommt. Dabei kann im Prinzip
aus jeder beliebigen Masse ein Schwarzes Loch entstehen –
sie muss nur entsprechend komprimiert werden. Unsere Erde
müsste man beispielsweise auf den Durchmesser eines Fünfcentstücks zusammendrücken, um aus ihr ein Schwarzes Loch
zu machen. Dementsprechend gibt es auch Schwarze Löcher
in ganz verschiedenen Größen. Die leichtesten sind dabei die-
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jenigen, die aus massereichen Sternen mindestens achtmal so
schwer wie unsere Sonne entstehen, wenn diese am Ende ihres
Lebens ihren Brennstoff verbraucht haben und daraufhin unter dem eigenen Gewicht zusammenstürzen. Die schwersten
Schwarzen Löcher finden sich im Zentrum von Galaxien. Das
supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße beobachtete man erstmals vor 85 Jahren. Der Astronom
Karl Jansky hatte 1932 in der Richtung des Sternbilds Schütze
eine ungewöhnlich intensive Quelle von Radiostrahlung entdeckt, die Sagittarius A* genannt wurde. Erst in den 1970erJahren entstand die Idee, dass es sich dabei um ein Schwarzes
Loch handeln könnte, das fortwährend Masse anzieht, die sich
in einem großen Strudel wie in einem Ausguss in das Schwarze
Loch hineinbewegt, sich dabei aufheizt und Strahlung aussendet. Aus der schnellen Bewegung von Sternen in der Nähe von
Sagittarius A*, die Geschwindigkeiten von einigen tausend Kilometern pro Sekunde erreichten, konnte man die Masse ableiten, die nötig ist, um die Sterne auf ihre Bahnen zu zwingen.
Der so berechnete Wert: etwa vier Millionen Sonnenmassen.
Direkt gesehen hat dieses Schwarze Loch bisher allerdings
noch niemand. Dies könnte sich aber sehr bald ändern, denn
Anfang dieses Jahres haben Astronomen Teleskope auf vier
verschiedenen Kontinenten gleichzeitig auf Sagittarius A* gerichtet, die zusammengeschaltet einem Teleskop der Größe
unserer Erde entsprechen. Dieses Event Horizon Telescope
(EHT) besitzt eine so hohe Auflösung, dass das Gas in nächster Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs beobachtbar
sein soll – und damit der „Schatten“ von Sagittarius A* selbst.
Die Beobachtungen wurden Anfang April durchgeführt. Die
Auswertung der ungeheuren Datenmengen nimmt allerdings
einige Zeit in Anspruch, mit dem ersten „Bild“ eines Schwarzen Lochs wird wohl im kommenden Jahr zu rechnen sein.
Zumindest theoretisch weiß man aber schon, was man zu erwarten hat: In komplexen Simulationen haben Astronomen
bereits berechnet, wie Sagittarius A* für das EHT erscheinen
wird. Zuschauer des Science-Fiction-Blockbusters „Interstellar“
haben vor drei Jahren davon bereits einen Eindruck bekommen. Der am Caltech arbeitende Physiker Kip Thorne hat für
diesen Film berechnet, was eine IMAX-Kamera sehen würde,
wenn sie sich in der Nähe eines Schwarzen Lochs befinden
würde. Auch er wird nun mit Sicherheit ungeduldig auf die
„echten“ Aufnahmen des EHT warten. Wissenschaft und
Science-Fiction liegen heute immer näher beieinander. Wir
können gespannt sein, welche Ergebnisse die nächsten Jahre
noch bringen werden.
Sibylle Anderl ist promovierte Astrophysikerin und
Philosophin und arbeitet als Wissenschaftsjournalistin im
Feuilleton der „Frankfurter Allgemeinen Zeitung“. Im August
ist im Hanser Verlag München ihr Buch „Das Universum
und ich – die Philosophie der Astrophysik“ erschienen.
2007 wurde die erste angebliche „Supererde“ in einem fremden Sonnensystem entdeckt: Gliese 581d ist etwa siebenmal so schwer wie die Erde
und befindet sich rund 20 Lichtjahre von uns entfernt im Sternbild Waage.
Bild: Lynette Cook/NASA
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