Faszinierende Wissenschaften

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... bringt es auf den Punkt.
Anti-Schwerkraft, Gedankenlesen und Tarnmäntel: Was wie
ein spannender Zukunfts-Roman klingt, ist längst Gegenstand
der wissenschaftlichen Forschung. Der Autor erzählt verständlich und unterhaltsam faszinierende Geschichten aus Biologie,
Robotik, Physik und Raumfahrt. Garniert sind seine unglaublichen, aber wahren Berichte mit kleinen Exkursen in die Welt
der Science Fiction.
G
Der Autor: Götz Roderer hat Physik studiert und arbeitet heute in
leitender Funktion in der Entwicklungsabteilung eines großen Automobilzulieferers. Für verschiedene Magazine schreibt er regelmäßig Artikel über
aktuelle Diskussionen in der Wissenschaft. Bekannt wurde Götz Roderer
durch zahlreiche Science Fiction-Kurzgeschichten und ein Taschenbuch,
das er für die Romanserie Perry Rhodan unter dem Titel „HALO 1146“
verfasst hat.
Faszinierende
Wissenschaften
ISBN 978-3-89994-141-8
9,90 EUR (D)
GÖTZ RODERER
www.humboldt.de
Faszinierende
Wissenschaften
Freizeit & Hobby
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Die spannendsten
Neuigkeiten aus der Welt
der Forschung
Götz Roderer
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Götz Roderer
Faszinierende Wissenschaften
Die spannendsten Neuigkeiten
aus der Welt der Forschung
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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de
abrufbar.
ISBN 978-3-89994-141-8
Der Autor: Götz Roderer hat Physik studiert und arbeitet heute in leitender Funktion in der Entwicklungsabteilung eines großen Automobilzulieferers. Für verschiedene Magazine schreibt er
regelmäßig Artikel über aktuelle Diskussionen in der Wissenschaft. Bekannt wurde Götz
Roderer durch zahlreiche Science Fiction-Kurzgeschichten und ein Taschenbuch, das er für die
Romanserie Perry Rhodan unter dem Titel „HALO 1146“ verfasst hat
Bildnachweis:
2AEA 42, A. Adamatzky (Internet) 69, Bigelow Aerospace 238, Cambridge/COBE 169,
Courtesy of EFDA-JET 131, 133, Courtesy Ray Kurzweil 127, Courtesy Uni Frankfurt 136,
D. Padgett (IPAC/Caltech), W. Brandner (IPAC), K. Stapelfeldt (JPL) und NASA 23, Don Harley,
Stanford University 162, ESA 21, 31, 39, ESA, S. Vaughan (University of Leicester) 250, ESO 171
G. Roderer 9, 15, 16, 20, 25, 80, 85, 90, 110, 118, 138, 164, 174, 193, 228, 233, 248, Gerard
’t Hooft 172, Harvard, Chandra-Observatorium 176, Harvard, ESO Very Large Telescope 180,
Henry Aldrich 36, Internet 48, 63, 77, 89, 114, 140, 158, 230, 236, JBL-NASA 202, JPL 229,
239, Michael Lutch, Courtesy der Kurzweil Technologies 122, NASA 35, 74, 83, 150, 153, 190,
191, 217, 224, 226, 231, 252, 253, NASA/CXC 166, New Scientist 135, 157, Perlmutter et al./
JBL 199, Phillips 147, Rotary Rocket Company 234, Russ Leese, Stanford University 208,
Stanford University 205, 206, Univ. of Alabama 185, University of Karlsruhe, Marc Szymanski,
Ramon Estane (Internet) 101, Wikipedia 52, WMAP–NASA 200
Originalausgabe
© 2008 humboldt
Ein Imprint der Schlüterschen Verlagsgesellschaft mbH & Co. KG,
Hans-Böckler-Allee 7, 30173 Hannover
www.schluetersche.de
www.humboldt.de
Autor und Verlag haben dieses Buch sorgfältig geprüft. Für eventuelle Fehler kann dennoch
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Lektorat:
Covergestaltung:
Innengestaltung:
Titelfoto:
Satz:
Druck:
Eckhard Schwettmann
DSP Zeitgeist GmbH, Ettlingen
akuSatz Andrea Kunkel, Stuttgart
Corbis
PER Medien+Marketing GmbH, Braunschweig
Grafisches Centrum Cuno GmbH & Co. KG, Calbe
Hergestellt in Deutschland.
Gedruckt auf Papier aus nachhaltiger Forstwirtschaft.
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Kolumne rechts: ÜS 2 (ohne Ziffer oder Sy
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Inhalt
Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Schwerpunkt Astonomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Ferne Welten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schwerpunkt Biologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die aus der Hölle kamen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ursprünge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Von Fliegen und Genen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leben, Version 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Exoleben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fremde Geister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schwerpunkt Robotik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Deus Ex Formiculae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
31
44
55
62
73
84
96
96
Schwerpunkt Zunkunft des Menschen . . . . . . . . . . . . . . 105
Der technisierte Mensch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Fokus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
An der Grenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Schwerpunkt Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Kaltes Feuer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
König Laurins Gedanken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Falsch wie der Traum vom Fliegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
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Schwerpunkt Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Vortex – Die Reise im Zeitstrudel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Am Rande der Raumzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Quo Vadis, Schwarzes Loch? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vakuumzerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phantom Menace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tanz der Sphären . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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165
175
184
192
204
Schwerpunkt Raumfahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Aufwärts, bitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Zu den Sternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Schwerpunkt Überleben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Apokalypse mal Fünf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
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Vorwort
Liebe Leserinnen, liebe Leser,
die Neugierde ist eine der Triebfedern für menschliche Entwicklung:
Der Wunsch, herauszufinden, was sich „hinter der nächsten Ecke“ befindet, oder – um es ein wenig literarisch mit Goethes Hilfe zu formulieren – herauszufinden, „was die Welt im Innersten zusammenhält“,
hat zu unglaublichen Entdeckungen geführt, zu fantastischen Reisen
an die Grenzen des bekannten Wissens.
Viele dieser Reisen beginnen zuerst in der Phantasie, bevor sie ihren
Niederschlag in der Forschung und irgendwann in der handfesten Realität finden: Kants kategorischer Imperativ, Luhmanns Systemtheorie
oder Einsteins Spezielle Relativitätstheorie mögen, wenn man sie im
Original liest, anfangs komplex sein und fast unverständlich wirken,
werden aber in der täglichen Praxis durch politische Entscheidungen,
psychologische Erkenntnisse und physikalische Umsetzungen bestätigt.
Leider wird aktuelle Wissenschaft im deutschsprachigen Raum oft so
vermittelt, dass eben nicht die Neugierde befriedigt wird, sondern vor
allem der Ehrgeiz der Forscher: Man möchte innerhalb der eigenen
„Community“ möglichst erfolgreich sein und formuliert deshalb – so
scheint es – seine Forschungsergebnisse in einer Weise, die sich Außenstehenden größtenteils verschließt.
Umso erfreulicher, dass es Menschen wie Götz Roderer gibt. Der Physiker und Science-Fiction-Schriftsteller vereint in seiner Arbeit die erwähnte Neugierde mit dem Ehrgeiz, die erworbenen Kenntnisse an
interessierte Laien weiterzugeben. Dabei hält Roderers Spaß an der
Suche nach neuen Wahrheiten nicht an den Grenzen seines eigenen
Fachgebietes an. Sein Ziel ist immer wieder, wissenschaftliche Themen
beispielsweise in Science-Fiction-Geschichten unterzubringen: Dabei
verbinden sich Fakten mit Phantasie, Gedankenspielerei mit ernsthafter Arbeit – ein unterhaltsamer Reigen, der die Leser zu eigenen
Überlegungen anregt.
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Vorwort
Im vorliegenden Buch führt Götz Roderer die oftmals getrennten
Bereiche weiter zusammen. Seien es neue Erkenntnisse der Biologie
oder der Physik, der Autor schafft es, sie mit augenzwinkerndem
Humor so zu vermitteln, dass die Themen tatsächlich Spaß bereiten.
Das vorliegende Buch fasst Artikel und Beiträge so zusammen, dass ein
unterhaltsamer Streifzug durch die aktuelle Forschung entsteht.
Ich lade Sie ein, sich an diesem Streifzug zu beteiligen, und ich bin
sicher, dass er Ihnen viel Vergnügen bereiten wird.
Klaus N. Frick
Chefredakteur der Science-Fiction-Serie
PERRY RHODAN
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Schwerpunkt Astronomie
Ferne Welten
Heiße Riesen und einsame Wanderer –
die Entdeckung der Planeten
Rom, Erde, a. D. 2007. Auf dem Campo dei Fiori sitzend, einem lang
gestreckten, von schattigen Cafes und alten Häusern gesäumten Platz
voller bunter Blumenstände, fällt der Blick auf jene dunkle, in eine
weite Kutte gehüllte Gestalt, die von ihrem Granitsockel aus das schillernde Leben mit Argwohn zu beobachten scheint.
Es ist das Standbild von Giordano Bruno, hingerichtet am Ende des
finsteren Mittelalters, einer jener herausragenden Köpfe der Menschheitsgeschichte, die zu ihrer Zeit unvergleichlich weit in die Zukunft vorausblickten.
Giordano Bruno war mit einem Verstand beschenkt, der so scharf war, dass er die Gedankenwelt der Naturwissenschaft hervorbrachte und prägte, aber auch so manche
Grenzlinie durchschnitt zwischen der einen
Erkenntnis, die seine Zeitgenossen zu verstehen und zu akzeptieren vermochten – und
jener anderen Erkenntnis, die Vordenker wie
ihn auf den Scheiterhaufen brachte. „Unzählige Sonnen existieren“, so schrieb Giordano
Bruno im Jahre des Herrn 1584: „und unzähWelten unter fremden Sternen
lige Planeten umkreisen sie in einer Art, wie
die sieben Planeten unsere eigene Sonne umkreisen.“ Lange Zeit waren
diese Äußerungen eine reine – und zu Zeiten auch höchst gefährliche
– Spekulation, durch nichts bewiesen, weder im Geiste des Glaubens,
noch im Sinne naturwissenschaftlicher Beobachtung.
Bis zum 6. Oktober 1995, jenem Tag, da die beiden amerikanischen
Astronomen Michael Mayor und Didier Queloz die Entdeckung des
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Schwerpunkt Astronomie
ersten extrasolaren Planeten vermeldeten. Damit war die Jagd nach
neuen Planeten eröffnet, extrasolaren Planeten, und was vor wenigen
Jahren noch mit Unglaube und Skepsis aufgenommen worden wäre,
zumindest aber Aufsehen erregt hätte, gehört heute beinahe zum Alltag der modernen Astronomie: Der Begleiter des Sterns 51-Pegasus,
50,1 Lichtjahre von der Erde entfernt, war der erste Eintrag in einer
Liste, die seitdem unaufhörlich anwächst – bald war der 100. Eintrag
erreicht, der 200., im Mai 2007 schließlich der 235. und sicherlich nicht
letzte. Eine jahrhundertealte philosophische Debatte dürfte damit ad
acta gelegt sein, das geozentrische Weltbild hat einen schweren Schlag
erlitten: Da draußen wimmelt es geradezu von Planeten. Bald wurde
sogar die Existenz von Sonnensystemen bestätigt, in denen zwei, drei
oder sogar noch mehr Planeten um ihr Muttergestirn kreisen. Riesige
Gasplaneten versetzen jene Astronomen in Entzücken, die sich der so
genannten Transit-Methode zum Nachweis von Planeten verschrieben
haben, während andere Forschergruppen auf winzigsten Positionsveränderungen der Zentralgestirne lauern und wieder andere sogar so
exotische Phänomene wie Gravitationslinsen zum Nachweis ferner
Welten dienstverpflichten wollen.
Derweil hat die Entdeckung des ersten extrasolaren Planeten im Jahre
1997 hohe Geldbeträge in die Entwicklung terrestrischer wie auch
weltraumgestützter Teleskopsysteme gelenkt, was allmählich Früchte
Giordano Bruno
Giordano Filippo Bruno, italienischer Naturphilosoph, * 1548 Nola (bei
Neapel), verbrannt am 17.2.1600 (hingerichtet). Kopernikus (1473–1543)
hatte die nähere himmlische Umgebung als ein um die Sonne laufendes
System beweglicher Sterne erkannt, aber den Fixsternhimmel als festes
Gewölbe bestehen lassen. Bruno betrachtete das Universum als unendlich,
mit zahllosen Sonnen und Planetensystemen. Er wurde wegen Ketzerei und
Magie zum Tod auf dem Scheiterhaufen verurteilt. Im Jahr 2000 erklärten
der päpstliche Kulturrat und eine theologische Kommission die Hinrichtung
Giordano Brunos für Unrecht.
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Ferne Welten
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Das Hubble-Weltraumteleskop (englisch Hubble Space Telescope, HST)
wurde nach dem US-Astronomen Edwin Hubble (1889–1953) benannt. Es ist
ein Weltraumteleskop für sichtbares Licht, Ultraviolett- und Infrarotstrahlung, das die Erde in 590 Kilometer Höhe innerhalb von 95 Minuten einmal
umkreist. Das Teleskop entstand aus der Zusammenarbeit von NASA und
ESA und wurde 1990 von dem Space Shuttle Discovery in den Umlauf um
die Erde gebracht.
abwirft: Im Januar 2005 gelang dem damals brandneuen VLT (Very
Large Telescope) der ESA der erste direkte Nachweis eines Planeten
außerhalb unseres Sonnensystems, den das Hubble-Weltraumobservatorium umgehend mit einem Bild im optischen Spektralbereich bestätigte. Damit muss wohl auch der letzte Skeptiker einlenken: Die Welt
im Orbit um den Stern 2M1207 existiert tatsächlich. Die Planeten existieren tatsächlich. Sie können nicht mehr als Denk- oder Messfehler,
als eine Täuschung durch bislang unberücksichtigte Effekte abgetan
werden. Und je feiner die Nachweismethoden werden, je besser die
Teleskope, desto näher rückt der nächste Schlag gegen die Annahme,
unser Sonnensystem wäre ein besonderer Ort im Universum: Die Entdeckung kleiner, felsiger Welten wie der Erde. Doch was kann man aus
der Existenz dieser extrasolaren Planeten lernen, von Welten wie jener
im Orbit um einen so fernen Stern, dass er den prosaischen Namen
2M1207 trägt? Ändert sich durch die Beobachtung ferner Planeten auch
unser grundlegendes Verständnis des Universums? Das tut es. Denn es
geht der Astronomie nicht nur um den einfachen Nachweis der Existenz anderer Planeten, man möchte und muss auch verstehen, wie sie
entstanden sind, welche Formen es gibt, und wohin sie sich entwickeln. Das Panoptikum der 235 bietet da einiges an Überraschungen,
sogar von der ersten Stunde an, denn schon der Planet um 51-Pegasus
warf mehr Fragen auf, als den Astronomen lieb war.
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Schwerpunkt Astronomie
Indirekte Blicke
Die ersten Planeten, die man entdeckte, waren allesamt Gasriesen –
was vermutlich nicht bedeutet, dass es keine kleineren, felsigen und
damit erdähnlichen Welten gäbe. Es handelt sich vielmehr um einen
klassischen Fall selektiver Berichterstattung, bei dem die Methode der
Beobachtung das Resultat derselben beeinflusst: Zu Anfang der Jagd
standen den Astronomen keine spezialisierten Instrumente zur Verfügung, und die heutigen Hochleistungs-Teleskope in der Machart eines
VLT (Very Large Telescope) existierten nur auf dem Reißbrett oder befanden sich in frühen Stadien des Aufbaus. Man bediente sich also zweier
indirekter Methoden: Der Transit-Methode und der Doppler-Spektroskopie.
Die Transit-Methode beruht auf dem einfachen Effekt, dass ein Planet,
der vor dem flammenden Hintergrund seiner Sonne vorbeizieht, eine
zwar äußerst geringe, aber durchaus nachweisbare Abschattung verursacht – simpel, aber ausreichend für den Nachweis des Planeten, sofern
die Messungen mit höchstmöglicher Präzision durchgeführt werden.
Denn die Messgenauigkeit setzt die Grenze, wie groß ein Planet sein
muss, um mit der Transit-Methode noch sicher entdeckt werden zu
können, und die liegt in einer Größenordnung, die den Blick auf kleine
Welten noch verwehrt. Auch die zweite Methode, die Doppler-Spektroskopie, reagiert empfindlich auf die Größe des zu beobachtenden
Planeten: Sie beruht auf dem bekannten Doppler-Effekt, der kurz ausgedrückt besagt, dass die beobachtete Wellenlänge des Lichts mit der
relativen Bewegung von Sender und Empfänger zusammenhängt:
Bewegt sich der Sender auf die Quelle zu, erscheint die Wellenlänge
Joseph von Fraunhofer (1787–1826) war ein deutscher Optiker und Physiker.
Er begründete am Anfang des 19. Jahrhunderts den wissenschaftlichen Fernrohrbau. Seine hervorragendste Leistung bestand in der Verbindung von
exakter wissenschaftlicher Arbeit und deren praktischer Anwendung für
neue innovative Produkte. So wurde Joseph von Fraunhofer zum Namensgeber und Vorbild der heutigen Fraunhofer-Gesellschaft.
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Ferne Welten
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verkürzt und das Licht damit ins Blaue verschoben, entfernen sie sich
voneinander, so erscheint die Wellenlänge länger und das Licht damit
ins Rote verschoben. Nun gibt es aber im Spektrum des Sonnenlichts
charakteristische Bereiche, die dem Beobachter dunkel erscheinen, da
die Sonneatmosphäre selbst für Licht dieser Wellenlängen undurchsichtig ist. Diese nach dem Münchner Optiker Joseph von Frauenhofer
benannten Frauenhoferschen Linien erlauben präzise Aussagen über
die Zusammensetzung fremder Sterne und, was im Zusammenhang
mit der Suche nach Planeten von immenser Bedeutung ist, liegen im
Spektrum immer an den gleichen, von der Physik des Schalenaufbaus
der Atomhülle vorgegebenen Stellen. Sind diese Linien gegenüber der
erwarteten Position verschoben, so liegt das am Doppler-Effekt, woraus die relative Bewegung des Sterns zur Erde bestimmt werden kann.
Doch was geschieht nun, wenn ein großer, massereicher Planet seine
Sonne umläuft? Diese wird aufgrund der Schwerkraftwirkung des Planeten nicht mehr um ihr exaktes Zentrum kreisen, sondern eine winzige Schlingerbewegung vollführen, die zu einer messbaren Oszillation der Frauenhoferschen Linien führt – allerdings setzt auch hier
die Messgenauigkeit eine Grenze, wie klein ein Planet sein darf, um
noch entdeckt zu werden. So war es keine Überraschung, dass die
ersten Planeten, die man außerhalb des Sonnensystems fand, zu den
Gasriesen zählten.
Heißer Jupiter
Was jedoch niemand vorhergesagt hatte: Viele dieser „Erstentdeckungen“ umkreisen ihr Zentralgestirn auf äußerst engen Bahnen. Übertragen auf unser eigenes Sonnensystem, würde sich Jupiter nicht in den
kalten Außenbezirken aufhalten, sondern seine Kreise noch innerhalb
der Merkur-Bahn ziehen, als ein Koloss aus glühend heißem Gas, als
ein „heißer Jupiter“. Die Überraschung war deshalb so groß, weil man
allgemein angenommen hatte, die Entstehungsgeschichte von Planeten
zu verstehen, und die gängigen Theorien führen zu einem einleuchtend einfachen Grund, warum sich die Planeten quasi nach der Dichte
ihres Materials um ihre Sonne gruppieren: Die dichtesten innen, die
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Schwerpunkt Astronomie
Gaswelten außen. Um diesen im Ansatz zu verstehen, muss man sich
in Bereiche begeben, in denen die Leere des Weltraums nicht ganz so
leer ist, wie üblich und sich eine dünne Wolke aus Gas (in der Hauptsache Wasserstoff) und mikrometerkleinem Staub herausbilden kann
(dessen genaue Zusammensetzung die Astrophysiker zu gerne kennen
würden).
Manchmal scheinen diese ausgedehnten Wolken irgendwann von
selbst instabil zu werden, manchmal ist es, wie eine gängige Theorie
besagt, die Schockwelle einer nahen Supernova-Explosion, die dazu
führt, dass sich diese interstellare Gas- und Staubwolke an manchen
Stellen ein klein wenig mehr verdichtet und von nun an unter dem
Einfluss ihrer eigenen, wenn auch geringen Schwerkraft, zu kollabieren beginnt. Ein Knoten entsteht, umgeben von einer rotierenden
Staubscheibe (denn der Drehimpuls muss erhalten bleiben, was zu
einer symmetrischen, rotierenden Anordnung führt), der manchmal
bis zu einer Proto-Sonne kollabiert. In diesem Fall kommt schließlich
der Tag, da Druck und Temperatur im Inneren der Proto-Sonne eine
Grenze übersteigen und die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium
einsetzt – enorme Strahlung wird dabei frei, die von nun an gegen den
Zug der Schwerkraft ankämpft, bis sich ein Gleichgewicht einstellt, das
der neugeborenen Sonne ihre charakteristische Struktur und Zusammensetzung verleiht. Diese Strahlung der Sonne trifft auf die rotierende, protoplanetare Staubscheibe und führt dort zu einer Trennung
ihrer Bestandteile nach Gewicht. Der verbleibende Wasserstoff, andere,
Die Astrophysik beschäftigt sich mit den physikalischen Grundlagen der
Erforschung von Himmelserscheinungen. Die Wissensgebiete der Astrophysik und der Astronomie haben verschiedene Aspekte: Die Astronomie
beschäftigt sich mit der Beobachtung, Messung und Vermessung von Himmelsobjekten (z. B. Sternhaufen, Quasare, Galaxien, Nebel, Neutronensterne,
Pulsare, Sterne, Planeten, Monde, Kometen, usw.). Die Astrophysik beschäftigt sich mit den physikalischen Prozessen, die diese astronomischen
Objekte verursachen.
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