Astronomie - Die Onleihe
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Inhaltsverzeichnis Vorwort Kapitel 1 xxi Unser Platz im Universum 2 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1 Unser heutiges Bild vom Universum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Wo ist unser Platz im Universum? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Wie sind wir entstanden? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Woher wissen wir, wie das Universum früher aussah? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Können wir das gesamte Universum sehen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Maßstäbe im Universum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Wie groß ist die Erde, verglichen mit unserem Sonnensystem? . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Wie weit sind die Sterne entfernt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Wie groß ist die Milchstraße? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Wie groß ist das Universum? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Wie lässt sich unsere Lebensspanne mit dem Alter des Universums vergleichen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Raumschiff Erde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Wie bewegt sich die Erde in unserem Sonnensystem? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Wie bewegt sich unser Sonnensystem durch die Milchstraße? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Wie bewegen sich Galaxien durch das Universum?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Stehen wir jemals still? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.2 1.3 1.4 Das Menschheitsabenteuer Astronomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Wie hat die astronomische Forschung die menschliche Geschichte beeinflusst? . . . 27 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Kapitel 2 36 Entdecken Sie das Universum selbst Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1 Muster am Nachthimmel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Der Anblick des Universums von der Erde aus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2 2.3 Warum gehen Sterne auf und unter?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Warum hängen die sichtbaren Sternbilder von der geografischen Breite und der Jahreszeit ab? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Die Ursache der Jahreszeiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Was verursacht die Jahreszeiten? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Wie legen wir den Ablauf der Jahreszeiten fest? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Wie verändert sich die Orientierung der Erdachse im Lauf der Zeit? . . . . . . . . . . . . . 53 Der Mond: Unser ständiger Begleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Warum gibt es Mondphasen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Was verursacht Finsternisse? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Inhaltsverzeichnis 2.4 Das Planetenrätsel der Antike . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Weshalb war die Planetenbewegung am Himmel einst so rätselhaft? . . . . . . . . . . . . . 65 Warum lehnten die alten Griechen die richtige Erklärung für die Planetenbewegung ab?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Kapitel 3 76 Astronomie als Wissenschaft Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Die historischen Wurzeln der Naturwissenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Inwiefern denken alle Menschen wissenschaftlich? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Welchen Nutzen hatten astronomische Beobachtungen für die frühen Gesellschaften?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Was haben antike Kulturen in der Astronomie erreicht?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Naturwissenschaft im antiken Griechenland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Warum führt die moderne Wissenschaft ihre Anfänge auf Griechenland zurück? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Wie haben die Griechen die Planetenbewegung erklärt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Wie wurde die griechische Wissenschaft über die Jahrhunderte hinweg bewahrt?. . . 93 Die Kopernikanische Wende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Wie haben Kopernikus, Brahe und Kepler das geozentrische Weltbild angefochten? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Wie lauten die drei Kepler’schen Gesetze der Planetenbewegung?. . . . . . . . . . . . . . . 98 Wie hat Galilei die Kopernikanische Wende untermauert? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Das Wesen der Wissenschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Wie können wir Wissenschaft von Nichtwissenschaft unterscheiden? . . . . . . . . . . . 104 Was ist eine wissenschaftliche Theorie?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Astrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Wie unterscheiden sich Astrologie und Astronomie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Hat die Astrologie eine naturwissenschaftliche Grundlage? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Kapitel S1 124 Zeitmessung und Navigation anhand der Sterne Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 S1.1 Astronomische Zeiträume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Wie definieren wir Tag, Monat, Jahr und planetare Umlaufzeiten?. . . . . . . . . . . . . . . 126 Wie bestimmen wir die Tageszeit? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 S1.2 viii 77 Wann und warum gibt es Schaltjahre? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Himmelskoordinaten und Bewegungen am Himmel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Wie stellen wir den Ort von Objekten an der Himmelskugel fest? . . . . . . . . . . . . . . . 137 Wie bewegen sich die Sterne am Himmel über uns? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Wie bewegt sich die Sonne am Himmel über uns? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Inhaltsverzeichnis S1.3 Grundlagen der Navigation nach den Sternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Wie können Sie Ihren Breitengrad bestimmen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Wie können Sie Ihren Längengrad bestimmen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Kapitel 4 Wie das Universum funktioniert: Bewegung, Energie und Schwerkraft verstehen Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 163 4.1 Bewegungen: Beispiele aus dem Alltag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 4.2 4.3 4.4 4.5 Wie beschreiben wir Bewegungen?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Wie unterscheiden sich Masse und Gewicht? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Die Newton’schen Bewegungsgesetze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Wie hat Newton unser Verständnis des Universums verändert? . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Wie lauten die drei Newton’schen Bewegungsgesetze? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Erhaltungssätze in der Astronomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Warum bewegen sich Objekte mit gleichförmiger Geschwindigkeit, wenn keine Kräfte auf sie wirken? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Was lässt Planeten rotieren und um die Sonne kreisen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Woher haben Objekte ihre Energie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Das allgemeine Gravitationsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Was bestimmt die Stärke der Schwerkraft? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Wie erweitert das Newton’sche Gravitationsgesetz die Kepler’schen Gesetze? . . . . . 183 Umlaufbahnen, Gezeiten und Gravitationsbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Wie können wir Umlaufbahnen anhand von Schwerkraftund Energiegesetzen verstehen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Wie verursacht die Schwerkraft Gezeiten? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Warum fallen alle Objekte mit derselben Geschwindigkeit? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Kapitel 5 Licht und Materie: Die Botschaften aus dem Kosmos entschlüsseln Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 205 5.1 Licht im Alltag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Wie nehmen wir Licht wahr? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Wie treten Licht und Materie in Wechselwirkung?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 5.2 5.3 Eigenschaften des Lichts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Was ist Licht? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Was ist das elektromagnetische Spektrum? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Eigenschaften der Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Welche Struktur hat Materie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Welche Aggregatzustände der Materie gibt es?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Wie wird Energie in Atomen gespeichert? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 ix Inhaltsverzeichnis 5.4 Vom Licht lernen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Was sind die drei Grundarten von Spektren?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Wie erkennen wir anhand von Licht, woraus die Dinge bestehen?. . . . . . . . . . . . . . . 226 Wie kann uns Licht etwas über die Temperaturen der Planeten und Sterne sagen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Wie interpretieren wir ein reales Spektrum? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Die Doppler-Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Wie kann uns Licht etwas über die Geschwindigkeit eines fernen Objekts sagen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Wie kann uns Licht etwas über die Rotationsgeschwindigkeit eines fernen Objekts sagen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Kapitel 6 246 5.5 247 6.1 Augen und Kameras: Lichtsensoren des Alltags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Wie sieht das Auge? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Wie zeichnen wir Bilder auf? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Riesige Augen: Teleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Was sind die beiden wichtigsten Merkmale eines Teleskops?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 6.2 6.3 6.4 Was sind die beiden wichtigsten Teleskoparten? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Wie nutzen Astronomen ihre Teleskopen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Teleskope und die Atmosphäre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Wie beeinflusst die Erdatmosphäre bodengestützte Beobachtungen? . . . . . . . . . . . . . 261 Warum bringen wir Teleskope in den Weltraum? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Teleskope und Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Wie beobachten wir unsichtbares Licht?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Wie arbeiten mehrere Teleskope zusammen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Kapitel 7 282 Unser Sonnensystem Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 7.1 Die Untersuchung des Sonnensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Wie sieht das Sonnensystem aus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Was lehrt uns der Vergleich der Planeten miteinander? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 7.2 7.3 x Teleskope: Tore der Entdeckung Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Welche sind die wichtigsten Eigenschaften der Sonne und der Planeten?. . . . . . . . . 288 Gesetzmäßigkeiten im Sonnensystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Welche Merkmale des Sonnensystems bieten Hinweise auf seine Entstehung? . . . . 303 Die Erkundung des Sonnensystems mit Raumsonden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Wie arbeiten Robotersonden? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Inhaltsverzeichnis Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Kapitel 8 320 Die Entstehung des Sonnensystems Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 8.1 Auf der Suche nach dem Anfang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 Welche Eigenschaften unseres Sonnensystems muss eine Theorie seiner Entstehung erklären können? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 Welche Theorie erklärt die Eigenschaften unseres Sonnensystems am besten? . . . . . 323 Die Geburt des Sonnensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 Woher stammt das Sonnensystem? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 Weshalb gibt es regelmäßige Bewegungsmuster in unserem Sonnensystem?. . . . . . . 325 Die Entstehung der Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Warum gibt es zwei Hauptgruppen der Planeten? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Wie sind die terrestrischen Planeten entstanden? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 8.2 8.3 8.4 8.5 Wie sind die jovianischen Planeten entstanden? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 Was hat die Ära der Planetenentstehung beendet? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 Nach der Planetenentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Woher stammen Asteroiden und Kometen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 Wie können wir die Ausnahmen von den Regeln erklären? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Wie können wir die Existenz unseres Monds erklären? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 Konnte nur unser Sonnensystem entstehen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Das Alter des Sonnensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Wie zeigt Radioaktivität das Alter eines Objekts an? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Wann sind die Planeten entstanden? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 Kapitel 9 Planetare Geologie: Die Erde und die anderen terrestrischen Planeten 350 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 9.1 Der Zusammenhang zwischen dem Planeteninneren und der Oberfläche . . . . . . . . . 352 Wie sehen terrestrische Planeten im Inneren aus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 Was verursacht geologische Aktivität? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 Warum erzeugt das Innere mancher Planeten ein Magnetfeld? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 Die Struktur von Planetenoberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 Welche Prozesse bestimmen die Oberflächeneigenschaften eines Planeten? . . . . . . . 363 Warum haben die terrestrischen Planeten eine unterschiedliche geologische Geschichte? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 Wie zeigen Einschlagskrater das geologische Alter einer Oberfläche an? . . . . . . . . . . 370 Die Geologie von Mond und Merkur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 Welche geologischen Prozesse haben den Mond geformt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 9.2 9.3 xi Inhaltsverzeichnis 9.4 9.5 9.6 Welche geologischen Prozesse haben Merkur geformt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 Die Geologie des Mars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Warum sind Marsianer so populär? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Welche sind die wichtigsten geologischen Merkmale des Mars? . . . . . . . . . . . . . . . . 378 Aufgrund welcher geologischen Belege wissen wir, dass es früher Wasser auf dem Mars gab?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 Die Geologie der Venus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 Welche sind die wichtigsten geologischen Merkmale der Venus? . . . . . . . . . . . . . . . 384 Hat die Venus Plattentektonik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 Die einzigartige Geologie der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 Woher wissen wir, dass sich die Erdoberfläche bewegt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 Wie wird die Erdoberfläche durch die Plattentektonik verändert? . . . . . . . . . . . . . . . 389 War die Geologie der Erde bei ihrer Entstehung bereits festgelegt?. . . . . . . . . . . . . . . 394 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 Kapitel 10 406 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 10.1 Grundlagen der Atmosphärenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 Was ist eine Atmosphäre? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 Wie heizt der Treibhauseffekt einen Planeten auf? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 Warum verändern sich die Eigenschaften der Atmosphäre mit der Höhe? . . . . . . . . . . 417 Wetter und Klima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 Was verursacht Wind und Wetter? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 Welche Faktoren können langfristige Klimaänderungen verursachen? . . . . . . . . . . . 427 Wie gewinnt oder verliert ein Planet atmosphärische Gase? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 Die Atmosphären von Mond und Merkur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 Haben Mond und Merkur überhaupt eine Atmosphäre? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 Die Marsatmosphäre und ihre Geschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434 Wie sieht der Mars heute aus?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 xii Planetare Atmosphären: Die Erde und die anderen terrestrischen Himmelskörper Warum hat sich der Mars verändert? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 Die Venusatmosphäre und ihre Geschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 Wie sieht die Venus heute aus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 Warum wurde die Venus so heiß? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 Die einzigartige Atmosphäre der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 Was macht die Erdatmosphäre so außergewöhnlich? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 Warum ist die Erdatmosphäre relativ stabil? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 Wie verändern menschliche Aktivitäten unseren Planeten? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462 Inhaltsverzeichnis Kapitel 11 Jovianische Planeten 464 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 11.1 Eine andere Art von Planet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466 Sind alle jovianischen Planeten gleich? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467 Wie sieht das Innere jovianischer Planeten aus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 Welches Wetter herrscht auf den jovianischen Planeten? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474 Haben jovianische Planeten Magnetosphären wie die Erde?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 11.2 Eine Fülle an Welten: Satelliten aus Eis und Fels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 Welche Arten von Monden umkreisen die jovianischen Planeten? . . . . . . . . . . . . . . 482 Warum sind die Galilei’schen Monde des Jupiters geologisch so aktiv?. . . . . . . . . . . 484 Was ist an Titan und anderen großen Monden des äußeren Sonnensystems so bemerkenswert?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 Warum sind kleine Eismonde geologisch aktiver als kleine Planeten aus Gestein? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 Die Ringe der jovianischen Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496 Wie sehen die Saturnringe aus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496 Wie sehen die Ringsysteme anderer jovianischer Planeten im Vergleich zu den Saturnringen aus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498 Warum haben die jovianischen Planeten Ringe? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507 11.3 Kapitel 12 Asteroiden, Kometen und Zwergplaneten: Ihre Eigenschaften, Umlaufbahnen und Einschläge 508 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 12.1 Asteroiden und Meteorite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510 Was sind Asteroiden? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510 Warum gibt es einen Asteroidengürtel? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 12.2 12.3 Woher kommen Meteorite? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516 Kometen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 Was sind Kometen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520 Woher kommen Kometen?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526 Pluto: Kein Außenseiter mehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527 Wie groß kann ein Komet werden? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528 Was kennzeichnet die großen Objekte des Kuiper-Gürtels?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 Sind Pluto und Eris Planeten?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532 Kosmische Kollisionen: Kleine Körper kontra Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533 Haben wir jemals einen großen Einschlag beobachtet? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533 Hat ein Einschlag die Dinosaurier ausgerottet? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534 Ist das Einschlagsrisiko eine echte Gefahr oder wird es nur von den Medien aufgebauscht? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537 Wie beeinflussen die jovianischen Planeten Einschlagsraten und das Leben auf der Erde? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541 12.4 xiii Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 Kapitel 13 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 549 13.1 Extrasolare Planeten entdecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 Warum ist das Entdecken von Planeten bei anderen Sternen so schwierig? . . . . . . . 551 13.2 Wie entdecken wir Planeten bei anderen Sternen?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551 Eigenschaften extrasolarer Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565 Was wissen wir über extrasolare Planeten? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565 Der Vergleich extrasolarer Planeten mit den Planeten unseres Sonnensystems. . . . . 571 Die Entstehung anderer Sonnensysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573 Wie lassen sich die überraschenden Umlaufbahnen vieler extrasolarer Planeten erklären? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574 Müssen wir die Theorie der Entstehung unseres Sonnensystems überdenken?. . . . . 575 Auf der Suche nach neuen Welten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576 Wie suchen wir nach erdähnlichen Planeten? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 S2 590 13.3 13.4 Raum und Zeit Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591 S2.1 592 S2.2 S2.3 Einsteins Revolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was sind die Grundelemente der speziellen Relativitätstheorie? . . . . . . . . . . . . . . . . 593 Was ist an der Relativitätstheorie „relativ“? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 Relative Bewegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596 Wie hat Einstein über Bewegung gedacht? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596 Warum ist die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit so überraschend? . . . . . . . . . . . . 597 Warum können wir die Lichtgeschwindigkeit niemals erreichen? . . . . . . . . . . . . . . . 600 Die Realität von Raum und Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602 Wie beeinflusst die Relativitätstheorie unsere Vorstellung von Raum und Zeit? . . . . . 602 Treten die von der Relativitätstheorie vorhergesagten Effekte wirklich auf? . . . . . . . 609 Eine neue Betrachtungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614 Wie können wir die Relativitätstheorie verstehen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614 Ermöglicht die Relativitätstheorie Reisen zu den Sternen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625 Kapitel S3 626 S2.4 xiv Andere Planetensysteme: Die neuen Erkenntnisse über ferne Planeten Raumzeit und Gravitation Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627 S3.1 Einsteins zweite Revolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628 Was sind die wichtigsten Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie? . . . . . . . . . 629 Inhaltsverzeichnis S3.2 S3.3 S3.4 Ist jede Bewegung relativ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629 Die Raumzeit verstehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632 Was ist Raumzeit? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632 Was versteht man unter gekrümmter Raumzeit? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636 Ein neues Bild der Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 640 Was ist Gravitation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 640 Was ist ein Schwarzes Loch?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642 Wie beeinflusst die Gravitation die Zeit? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 Prüfen der allgemeinen Relativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645 Wie können wir die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie prüfen? . . . . . 645 Was sind Gravitationswellen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649 Hyperspace, Wurmlöcher und Warp-Antrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650 Wo hört Wissenschaft auf und wo beginnt Science-Fiction?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650 Ein letztes Wort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652 Wie hat die Relativitätstheorie unsere Vorstellung von Raum und Zeit verändert? . . 652 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653 S3.5 S3.6 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660 Kapitel S4 662 Bausteine des Universums Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663 S4.1 Die Quantenrevolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664 Wie hat die Quantenrevolution unsere Welt verändert? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664 S4.2 Elementare Teilchen und Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665 Welche wichtigen Eigenschaften haben subatomare Teilchen?. . . . . . . . . . . . . . . . . . 666 Welche elementaren Bausteine der Materie gibt es? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667 S4.3 S4.4 Welche fundamentalen Kräfte gibt es in der Natur?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669 Unschärfe und Verbote im Bereich der Quanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671 Was besagt die Unschärferelation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673 Was besagt das Ausschlussprinzip? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676 Wichtige Quanteneffekte in der Astronomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678 Welchen Einfluss haben Teilcheneffekte auf besondere Sternarten?. . . . . . . . . . . . . . 678 Weshalb ist das Tunneln von Teilchen für das Leben auf der Erde so wichtig? . . . . . 681 Wie leer ist der leere Raum? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682 Leben Schwarze Löcher ewig? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691 Kapitel 14 694 Unser Stern – die Sonne Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695 14.1 Ein genauerer Blick auf die Sonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696 Warum war die Energiequelle der Sonne solch ein großes Rätsel? . . . . . . . . . . . . . . . 696 Warum scheint die Sonne? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697 xv Inhaltsverzeichnis 14.2 14.3 699 Der kosmische Schmelztiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701 Wie läuft die Kernfusion in der Sonne ab? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702 Wie kommt die Fusionsenergie aus der Sonne heraus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706 Woher kennen wir die Abläufe in der Sonne? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709 Die Verbindung zwischen Sonne und Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712 Was ist die Ursache der Sonnenaktivität?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712 Wie beeinflusst die Sonnenaktivität das menschliche Leben? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716 Wie verändert sich die Sonnenaktivität mit der Zeit? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727 Kapitel 15 728 Ein genauer Blick auf die Sterne Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729 15.1 Eigenschaften der Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730 Wie messen wir die Leuchtkraft von Sternen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730 Wie messen wir die Temperatur von Sternen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737 Wie messen wir die Masse von Sternen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741 Systematik von Sternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745 Was ist ein Hertzsprung-Russell-Diagramm? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745 Welche Bedeutung hat die Hauptreihe?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 748 Was sind Riesen, Überriesen und Weiße Zwerge? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751 Warum verändern sich die Eigenschaften mancher Sterne? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752 Sternhaufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753 Welche zwei Arten von Sternhaufen gibt es? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753 15.2 15.3 Wie messen wir das Alter von Sternhaufen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 758 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762 Kapitel 16 764 Sternentstehung Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765 16.1 Die Geburtsorte der Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766 Wo entstehen die Sterne? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766 Warum entstehen Sterne? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 770 Stadien der Sternentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777 Wodurch wird die Kontraktion einer Wolke, in der ein Stern entsteht, gebremst? . . 777 Welche Rolle spielt die Rotation bei der Sternentstehung? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 778 16.2 16.3 xvi Wie ist die Sonne aufgebaut?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wie setzt in einem neu entstandenen Stern die Kernfusion ein? . . . . . . . . . . . . . . . . 780 Massen neu entstandener Sterne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783 Welche Minimalmasse kann ein neu entstandener Stern haben? . . . . . . . . . . . . . . . . 783 Welche Maximalmasse kann ein neu entstandener Stern haben? . . . . . . . . . . . . . . . . 785 Welche Massen haben neu entstandene Sterne üblicherweise? . . . . . . . . . . . . . . . . . 786 Inhaltsverzeichnis Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 787 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 787 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 789 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793 Kapitel 17 794 Sternenstaub Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795 17.1 Entwicklung im Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796 Wie beeinflusst die Masse eines Sterns seine Kernfusion? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796 Die Entwicklung eines massearmen Sterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 798 Welche Entwicklungsstadien durchläuft ein massearmer Stern? . . . . . . . . . . . . . . . . . 798 Wie stirbt ein massearmer Stern? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803 Die Entwicklung eines massereichen Sterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806 Welche Entwicklungsstadien durchläuft ein massereicher Stern? . . . . . . . . . . . . . . . . 807 Wie erzeugen massereiche Sterne die für das Leben notwendigen Elemente? . . . . . . 809 Wie stirbt ein massereicher Stern? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812 Die Rolle von Masse und Massenaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 816 Wie bestimmt die Masse eines Sterns seine Entwicklungsgeschichte?. . . . . . . . . . . . 816 Wie unterscheidet sich das Leben von Sternen mit engen Begleitern von dem alleinstehender Sterne? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 817 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 820 17.2 17.3 17.4 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 820 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824 Kapitel 18 826 Der Friedhof der Sterne Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827 18.1 Weiße Zwerge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 828 Was ist ein Weißer Zwerg?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 828 Was geschieht mit einem Weißen Zwerg in einem engen Doppelsternsystem? . . . . . . 830 Neutronensterne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833 Was ist ein Neutronenstern? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833 18.2 18.3 Wie wurden Neutronensterne entdeckt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835 Was geschieht mit einem Neutronenstern in einem engen Doppelsternsystem? . . . . 837 Schwarze Löcher: Der endgültige Sieg der Schwerkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 838 Was ist ein Schwarzes Loch?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 839 Wie wäre es, wenn wir ein Schwarzes Loch besuchen könnten? . . . . . . . . . . . . . . . . 841 Gibt es Schwarze Löcher wirklich?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844 Der Ursprung der Gammabursts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 847 Woher kommen Gammabursts?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 847 Was verursacht Gammabursts? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 850 18.4 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 850 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 852 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857 xvii Inhaltsverzeichnis Kapitel 19 860 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 861 19.1 Der Blick auf die Milchstraße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 862 Wie sieht unsere Galaxis aus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 862 19.2 19.3 19.4 Wie bewegen sich die Sterne in unserer Galaxis? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864 Galaktisches Recycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 868 Wie wird Gas in unserer Galaxis recycelt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 869 Wo bilden sich üblicherweise Sterne in unserer Galaxis? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 877 Die Geschichte unserer Milchstraße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 881 Welche Hinweise auf die Geschichte der Galaxis bieten die Sterne des Halos?. . . . . 881 Wie ist unsere Galaxis entstanden?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 882 Das geheimnisvolle galaktische Zentrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884 Was befindet sich im Zentrum unserer Galaxis? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 887 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 887 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 888 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 892 Kapitel 20 Galaxien und die Grundlagen der modernen Kosmologie Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894 895 20.1 Sterneninseln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 896 Wie hängt die Galaxienentwicklung mit der Geschichte des Universums zusammen?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 896 Welche drei Arten von Galaxien gibt es? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 898 Welche Gruppen bilden Galaxien? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902 Messung der Galaxienentfernung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902 Wie messen wir die Entfernung von Galaxien? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903 Das Hubble’sche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 908 Wie konnte Hubble beweisen, dass Galaxien weit außerhalb der Milchstraße liegen?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 908 Was ist das Hubble’sche Gesetz? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 911 Was sagen Entfernungsmessungen über das Alter des Universums aus? . . . . . . . . . . 914 Wie beeinflusst die Expansion des Universums unsere Entfernungsmessungen? . . . 917 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 920 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 920 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 926 Kapitel 21 928 20.2 20.3 Galaxienentwicklung Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 929 21.1 Der Blick zurück durch die Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 930 Wie können wir die Entwicklungsgeschichten von Galaxien beobachten? . . . . . . . . 930 21.2 xviii Unsere Galaxis, die Milchstraße Wie sind Galaxien entstanden? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932 Die Entwicklung von Galaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933 Warum unterscheiden sich Galaxien voneinander?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933 Was sind Starbursts? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 938 Inhaltsverzeichnis 21.3 Quasare und andere aktive galaktische Kerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 940 Was sind Quasare? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941 Welche Energiequelle haben Quasare und andere aktive galaktische Kerne?. . . . . . . 945 Gibt es supermassereiche Schwarze Löcher wirklich? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 947 Wie können wir mittels Quasaren das Gas zwischen den Galaxien beobachten? . . . 950 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 952 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 952 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 957 Kapitel 22 Dunkle Materie, Dunkle Energie und das Schicksal des Universums 958 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 959 22.1 Unsichtbare Einflüsse im Kosmos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 960 Was verstehen wir unter Dunkler Materie und Dunkler Energie? . . . . . . . . . . . . . . . . 961 22.2 Hinweise auf die Dunkle Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 962 Welche Hinweise gibt es auf Dunkle Materie in Galaxien? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 962 22.3 Welche Hinweise auf Dunkle Materie gibt es in Galaxienhaufen? . . . . . . . . . . . . . . . 966 Gibt es Dunkle Materie wirklich? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971 Woraus könnte die Dunkle Materie bestehen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973 Die Entstehung von Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975 Welche Rolle spielt die Dunkle Materie bei der Galaxienentstehung? . . . . . . . . . . . . 975 Wie sehen die größten Strukturen im Universum aus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 977 Das Schicksal des Universums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 980 Wird die Expansion des Universums ewig weitergehen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 980 Beschleunigt sich die Expansion des Universums? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 989 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 992 Kapitel 23 994 22.4 Der Anbeginn der Zeit Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 995 23.1 Der Urknall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996 Welche Bedingungen herrschten im frühen Universum? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996 Wie verlief der Urknalltheorie zufolge die Geschichte des Universums? . . . . . . . . . . 999 23.2 Belege für den Urknall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006 Wie beobachten wir die vom Urknall zurückgebliebene Strahlung?. . . . . . . . . . . . . . 1006 Wie belegen die Elementhäufigkeiten die Urknalltheorie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1010 23.3 Der Urknall und die Inflation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013 Welche Eigenschaften des Universums konnte die Urknalltheorie ursprünglich nicht erklären? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013 Wie erklärt die Inflation diese Eigenschaften des Universums? . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013 Wie können wir die Inflation überprüfen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1017 23.4 Den Urknall selbst beobachten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1019 Warum ist die Schwärze des Nachthimmels ein Beleg für den Urknall? . . . . . . . . . . 1019 xix Inhaltsverzeichnis Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1022 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1022 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1029 Kapitel 24 Leben im Universum 1032 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1033 24.1 Leben auf der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034 Wann entstand das Leben auf der Erde? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035 Wie entstand das Leben auf der Erde? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1038 Was sind die Grundvoraussetzungen des Lebens? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044 24.2 Leben im Sonnensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1045 Gibt es Leben auf dem Mars?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1045 Gibt es Leben auf Europa oder anderen Jupitermonden?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1048 24.3 Leben bei anderen Sternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1049 Wie wahrscheinlich sind bewohnbare Planeten? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1049 Sind erdähnliche Planeten eher selten oder häufig? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1051 24.4 Die Suche nach außerirdischer Intelligenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054 Wie viele Zivilisationen gibt es da draußen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054 Wie funktioniert SETI? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1058 24.5 Interstellare Flüge und ihre Auswirkungen auf die Zivilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 1059 Wie schwierig sind interstellare Flüge? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1059 Wo stecken die Außerirdischen?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1062 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1067 Weitere Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1071 Anhang xx 1075 A Häufig benötigte Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076 B Nützliche Formeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1077 C Ein wenig Mathematik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1078 D Das Periodensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085 E Planetendaten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086 F Sterndaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1092 G Galaxiendaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094 H Ausgewählte astronomische Websites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1098 I Sternbildnamen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1101 J Sternkarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1103 K Piktogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1108 L Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1110 M Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135 N Abbildungsnachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1159 8 Die Entstehung des Sonnensystems D ie Entwicklung der Welt lässt sich mit einem Feuerwerk vergleichen, das gerade zu Ende gegangen ist: Es gibt noch einige rote Funken, Asche und Rauch. Auf der ausgekühlten Schlacke stehend, betrachten wir das Erlöschen der Sonnen und versuchen, uns die entschwundene Brillanz während der Entstehung der Welt vorzustellen. – Georges Lemaître (1894–1966), Astronom und katholischer Geistlicher Wie ist die Erde entstanden? Wie alt ist sie? Ist sie ein- und sie als Beispiel dafür verwenden, wie die Wissen- zigartig? Unsere Vorfahren konnten die Antworten auf schaft die grundsätzlichen Fragen nach unserem Ur- diese Fragen nur raten. Sie waren der Ansicht, dass die sprung zu erklären versucht. Erde sich grundsätzlich von den anderen Himmelskör- Unsere Theorie der Entstehung des Sonnensystems pern unterscheidet. Heute kennen wir die Erde als ei- ist nicht nur deshalb wichtig, weil wir mit ihrer Hilfe nen unter mehreren Planeten im Sonnensystem und unsere kosmische Herkunft verstehen können, sondern unser Sonnensystem ist nur eines von vielen Planeten- auch, weil in ihr der Schlüssel zum Verständnis der systemen im Weltall. Natur der Planeten liegt. Wenn alle Planeten des Son- Wir versuchen die Entstehung unseres Planeten an- nensystems gemeinsam entstanden sind, dann müssen hand der Hinweise zu verstehen, die wir bei der Unter- ihre Unterschiede auf physikalische Prozesse zurück- suchung des restlichen Sonnensystems gefunden ha- zuführen sein, die während der Entstehung und wei- ben. Diese Hinweise deuten darauf hin, dass die Sonne teren Entwicklung des Sonnensystems stattgefunden und alle Planeten, Monde, Asteroiden und Kometen, haben. Dadurch bildet unsere Untersuchung der Geburt die sie umkreisen, gemeinsam entstanden sind. Auf des Sonnensystems die Basis für die vergleichende Be- dieser Grundlage konnten die Wissenschaftler eine trachtung der Planeten in den folgenden Kapiteln. Sie Theorie aufstellen, welche die meisten der beobachte- wird uns zudem dabei helfen, die jüngsten Entdeckun- ten Eigenschaften unseres Sonnensystems erklärt. Wir gen von Planeten um andere Sterne zu verstehen, ein werden diese Theorie in diesem Kapitel untersuchen Thema, dem wir uns in Kapitel 13 widmen werden. Auf der Suche nach dem Anfang zu verstehen. Es war daher nur natürlich, dass die Wis- 8.1 Die Entwicklung einer wissenschaftlichen Theorie ist ein Wechselspiel zwischen Beobachtung und dem Versuch, diese Beobachtungen zu interpretieren (Abschnitt 3.4). Hypothesen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt sinnvoll erscheinen, werden später vielleicht verworfen, weil sie neue Daten nicht erklären können. So erschienen beispielsweise die griechischen Vorstellungen zur Entstehung der Erde völlig vernünftig, solange die Menschen glaubten, die Erde sei das Zentrum 322 senschaftler begannen, darüber zu spekulieren, wie ein solches System entstanden sein mochte. Wir werden den größten Teil dieses Kapitels damit zubringen, die heutige Theorie der Entstehung des Sonnensystems zu diskutieren. Zunächst aber werden wir die Ursprünge dieser Theorie betrachten und wie wir sie beurteilen müssen. Welche Eigenschaften unseres Sonnensystems muss eine Theorie seiner Entstehung erklären können? des Universums. Nachdem aber Kepler und Galilei be- Bekanntermaßen kann eine Hypothese nur dann den wiesen hatten, dass die Erde ein Planet ist und die Status einer Theorie erreichen, wenn sie ein detaillier- Sonne umkreist, waren sie sinnlos geworden. tes physikalisches Modell anbietet, welches eine breite Zum Ende des 17. Jahrhunderts hatten uns die Koper- Palette beobachteter Fakten erklären kann. In Kapitel 7 nikanische Wende (Abschnitt 3.3) und die Newton’sche haben wir vier wichtige strukturelle Eigenschaften un- Entdeckung des Gravitationsgesetzes (Abschnitt 4.4) seres Sonnensystems diskutiert (siehe Abbildung 7.14). ermöglicht, die Anordnungen und Bewegungen der Anhand dieser Eigenschaften können wir jede Hypo- Planeten und Monde im Sonnensystem grundsätzlich these bewerten, die behauptet, den Ursprung des Son- 8.1 Auf der Suche nach dem Anfang nensystems erklären zu können. Scheitert die Hypo- derne wissenschaftliche Theorie von der Entstehung these bei der Erklärung nur einer einzigen Eigenschaft, des Sonnensystems basiert. Um 1755 stellte der deut- kann sie nicht richtig sein. Kann sie alle vier richtig sche Philosoph Immanuel Kant (1724–1804) die Hy- erklären, dürfen wir uns ziemlich sicher auf der rich- pothese auf, unser Sonnensystem sei aus dem Gravi- tigen Spur wähnen. Deshalb können wir die folgenden tationskollaps einer kalten interstellaren Gaswolke vier Kriterien für eine erfolgreiche Theorie zur Entste- entstanden. Etwa 40 Jahre später stellte der französi- hung des Sonnensystems aufstellen: sche Mathematiker Pierre-Simon Laplace (1749–1827), 1 Sie muss die Bewegungsmuster erklären, die wir in Kapitel 7 diskutiert haben. 2 Sie muss erklären, warum Planeten zwei Hauptgruppen angehören: den kleinen, aus Gestein bestehenden terrestrischen Planeten in Sonnennähe und den großen wasserstoffreichen jovianischen Planeten weiter außen im Sonnensystem. 3 Sie muss die Existenz einer großen Zahl von Asteroiden und Kometen erklären können und angeben, warum sich diese Objekte primär in den Gebieten aufhalten, die wir als Asteroidengürtel, Kuiper-Gürtel und Oort’sche Wolke bezeichnen. 4 Sie muss die allgemeinen Gesetzmäßigkeiten erklären können, gleichzeitig aber auch Ausnahmen von den Regeln zulassen, etwa die ungewöhnliche Achsenneigung von Uranus und die Existenz des großen Erdmonds. unabhängig von Kant (dessen Vorschlag er offenbar nicht kannte) dieselbe Idee in den Raum. Weil eine interstellare Wolke üblicherweise als nebula (lateinisch für Wolke) bezeichnet wird, wurde ihre Idee als Nebularhypothese (oder Kant-Laplace-Hypothese) bekannt. Die Nebularhypothese galt das ganze 20. Jahrhundert hindurch als richtig. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatten die Wissenschaftler allerdings einige Aspekte unseres Sonnensystems entdeckt, die sich durch die Nebularhypothese anscheinend nicht gut erklären ließen – zumindest nicht in der von Kant und Laplace ursprünglich beschriebenen Form. Während einige Wissenschaftler versuchten, die Nebularhypothese abzuändern, suchten andere nach völlig neuen Erklärungen für die Entstehung des Sonnensystems. Während eines Großteils der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts musste sich die Nebularhypothese Die Theorie kann weitere Unterstützung erfahren, dem Wettbewerb mit einer Hypothese stellen, der zu- wenn sie Vorhersagen machen kann, die sich durch folge die Planeten Überbleibsel einer Beinahe-Kolli- neue Beobachtungen oder Experimente bestätigen las- sion zwischen der Sonne und einem anderen Stern sen. Eine Theorie beispielsweise, die die Entstehung un- sein sollten. Gemäß dieser Planetesimalhypothese hat- seres Sonnensystems erklären kann, sollte auch Aus- ten sich die Planeten aus Gasblasen gebildet, die wäh- sagen über andere Planetensysteme machen können. rend der Beinahe-Kollision von der Sonne abgezogen Heutzutage lassen sich solche Aussagen anhand des worden waren. schnell wachsenden Beobachtungsmaterials junger Inzwischen wurde die Planetesimalhypothese ver- Sterne überprüfen, die sich in der frühen Phase der worfen. Wie Berechnungen gezeigt haben, kann sie we- Planetenentstehung befinden, aber auch anhand der der die beobachteten Bewegungen der Planeten noch tatsächlich bei anderen Sternen entdeckten Planeten. die Aufteilung der Planeten in zwei Hauptgruppen Wie wir hier und in Kapitel 13 sehen werden, musste (terrestrische und jovianische Planeten) erklären. His- unsere heutige Theorie der Entstehung des Sonnensys- torisch gesehen sollten alleine diese beiden Gründe aus- tems nur geringfügig modifiziert werden, um diese gereicht haben, um die Theorie zu disqualifizieren, aller- neuen Beobachtungen erklären zu können. Dies bestä- dings scheiterte sie noch an einem weiteren Grund: Sie tigt uns in unserer Ansicht, dass die grundlegende Ent- erforderte ein äußerst unwahrscheinliches Ereignis. stehungstheorie richtig sein muss. Angesichts der riesigen Entfernungen zwischen den Sternen in unserer galaktischen Umgebung ist die Welche Theorie erklärt die Eigenschaften unseres Sonnensystems am besten? Wahrscheinlichkeit, dass sich zwei Sterne nahe genug kommen, um aufgrund der Gravitation einen spürbaren Massenverlust hervorzurufen, so gering, dass dieses Ereignis praktisch niemals eintritt, nicht einmal Üblicherweise gelten zwei Wissenschaftler des 18. Jahr- jenes eine Mal, das für die Entstehung zumindest un- hunderts als die Väter der Hypothese, auf der die mo- seres Sonnensystems notwendig gewesen wäre. Obwohl 323 8 Die Entstehung des Sonnensystems die geringe Wahrscheinlichkeit allein nicht ausreichte, selben Überlegungen auch für die Entstehung anderer um die Planetesimalhypothese zu disqualifizieren, war Sternsysteme gelten. dies doch für eine Theorie, die auch auf anderen Gebieten versagt hat, keineswegs hilfreich. Darüber hinaus führt die geringe Wahrscheinlichkeit der Planetenentstehung aufgrund von Sternkollisionen zu einer überprüfbaren Vorhersage, von der wir heute wissen, dass sie falsch ist: Wenn Planeten durch so unwahrscheinliche Ereignisse entstehen, müssen sie bei anderen Sternen sehr selten sein. Die Tatsache, dass wir mittlerweile wissen, dass Planeten recht häufig vorkommen (Abschnitt 13.1), ist daher ein weiterer Schlag gegen die Planetesimalhypothese. Während die Planetesimalhypothese an Boden verlor, haben neue Erkenntnisse zur Physik der Planetenentstehung zu Änderungen und Erweiterungen der Nebularhypothese geführt. Indem Wissenschaftler die Konsequenzen der Planetenentstehung aus einer Gaswolke untersucht haben, haben sie neue Modelle entwickelt, die ganz natürlich zu neuen Erklärungen für alle vier allgemeinen Eigenschaften des Sonnensystems geführt haben. In den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts hatte die Nebularhypothese so viele Fakten erklärt, dass sie den Status einer wissenschaftlichen Theorie erhielt – die Nebulartheorie der Entstehung des Sonnensystems (Nebular Theory). Wie bereits erwähnt, wurde diese Theorie dadurch, dass sie viele der beobachteten Eigenschaften anderer Planetensysteme erfolgreich vorhergesagt hat, noch weiter bestätigt. Obwohl manche der jüngeren Entdeckungen Woher stammt das Sonnensystem? Die Nebulartheorie geht davon aus, dass eine Gaswolke unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenfällt. Üblicherweise bezeichnen wir diese Wolke als die solare Urwolke. Woher stammt dieses Gas? Galaktisches Recycling Soweit wir das heute sagen können, ist das Universum im Urknall entstanden (Abschnitt 1.1). Wasserstoff und Helium (sowie Spuren von Lithium) waren im jungen Universum die einzigen vorhandenen Elemente. Alle schwereren Elemente wurden seit dieser Zeit in den Sternen hergestellt, sowohl durch Kernfusion im Sterninneren als auch während der Explosionen, die ihren Tod begleiten. Wenn Sterne sterben, geben sie einen großen Teil ihrer Materie an den Weltraum ab, darunter auch die neu entstandenen schweren Elemente. Diese Materie kann durch neue Sterngenerationen recycelt werden ( Abbildung 8.1). (Wir werden den galaktischen Recyclingprozess in Kapitel 19 näher betrachten.) Obwohl der Prozess der Fusion schwerer Elemente in Sternen und ihres Recyclings in der Galaxie wohl schon fast die ganze 14 Milliarden Jahre dauernde Geschichte des Universums hindurch anhält, ist bis jetzt nur ein kleiner Teil des ursprünglich vorhandenen Wasserstoffs und Heliums in schwerere Elemente um- von Planeten um andere Sterne zu einigen Überraschungen geführt haben, sind sie im Allgemeinen kon- Sterne werden in Gas- und Staubwolken geboren. sistent mit dem, was wir unter der Annahme, dass die Nebulartheorie richtig ist, erwarten würden. Übungen zur Entstehung des Sonnensystems, Lektion 1–2 Die Geburt des Sonnensystems 8.2 Wir können nun die Theorie zur Entstehung des Sonnensystems im Detail untersuchen. In diesem Abschnitt fangen wir mit dem Anfang an, indem wir die Ursprünge der Gaswolke, aus der unser Sonnensystem Bei ihrem Tod geben Sterne Materie wieder an den Weltraum ab. Sterne produzieren aus leichten Elementen schwerere. entstanden ist, untersuchen und erklären, wie der Gravitationskollaps dieser Wolke zu regelmäßigen Bewegungsmustern führen konnte. Wie erwähnt, dürften die- 324 Abbildung 8.1: Diese Darstellung ist ein Teil von Abbildung 1.2. Hier ist der galaktische Recyclingprozess zusammengefasst. 8.2 Die Geburt des Sonnensystems gewandelt worden. Als sich unser Sonnensystem vor Hinweise von anderen Gaswolken etwa 4,5 Milliarden Jahren bildete, waren etwa 2 % Beobachtungen liefern deutliche Hinweise darauf, dass (der Masse) des ursprünglichen Wasserstoffs und Heli- unser Sonnensystem aus einer interstellaren Gaswolke ums in der Galaxie in schwere Elemente umgewandelt entstanden ist. Insbesondere sind in solchen Wolken worden. Die übrigen 98 % waren immer noch Wasser- immer Sterne anzutreffen, die noch in der Entstehung stoff und Helium. Die Sonne, die praktisch die gesamte begriffen sind (Abschnitt 16.1). Masse unseres Sonnensystems umfasst, weist bis heute diese Zusammensetzung auf. Abbildung 8.2 zeigt den Orionnebel, eine bekann- te Sternentstehungsregion. Einige Sterne sind in dieser Das Gas, aus dem das Sonnensystem entstanden ist, riesigen Gaswolke bereits entstanden. Im Lauf der war also das Ergebnis vieler Milliarden Jahre des galak- kommenden Jahrmillionen werden dort noch Tau- tischen Recyclings vor der Entstehung unseres Son- sende weitere Sterne entstehen. Darüber hinaus ist je- nensystems. Aus diesem Gas entstanden die Sonne der Stern, den wir während seiner Entstehung beob- und die Planeten, wobei die Erde und die anderen ter- achten, von einer relativ dichten Gaswolke umgeben, restrischen Planeten überwiegend aus den darunter die unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenzustür- gemischten schweren Elementen bestehen. Wie wir in zen scheint. Das deutet darauf hin, dass ein solcher Kapitel 1 gesehen haben, sind wir „Sternenstaub“, weil Stern in seinem eigenen „solaren Urnebel“ entsteht, in wir und unser Planet aus Elementen bestehen, die in dem sich schließlich auch Planeten bilden könnten – Sternen entstanden, die vor langer Zeit existierten und so wie nach gängiger Anschauung auch unser Sonnen- wieder vergangen sind. system entstanden ist. Zum Nachdenken Könnte ein Sonnensystem wie unseres in der ersten Sterngeneration nach dem Urknall entstanden sein? Erläutern Sie Ihre Ansicht. Weshalb gibt es regelmäßige Bewegungsmuster in unserem Sonnensystem? Der solare Urnebel begann vermutlich als große, etwa OPT IR kugelförmige Wolke aus sehr kaltem Gas geringer Dichte. Anfänglich war dieses Gas soweit ausgedehnt – möglicherweise über einen Bereich von mehreren Lichtjahren – dass die Gravitation allein den Kollaps nicht in Gang bringen konnte. Vermutlich wurde der Kollaps durch ein einschneidendes Ereignis ausgelöst, etwa die Einwirkung der Stoßwelle einer Explosion eines nahegelegenen Sterns (einer Supernova). Sobald der Kollaps begonnen hatte, stellte das Gravitationsgesetz sicher, dass er von selbst weiterlief. Erinnern Sie sich daran, dass die Gravitationsstärke umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes ist (Abschnitt 4.4). Weil die Wolkenmasse beim Kollaps gleich blieb, nahm die Stärke der Schwerkraft mit sinkendem Durchmesser der Wolke zu (sinkt der Durchmesser beispielsweise auf die Hälfte, steigt die Gravi- 2 Lj tationskraft auf das Vierfache). Weil die Schwerkraft aus allen Richtungen zum Abbildung 8.2: IF Der Orionnebel, eine interstellare Wolke, in der sich neue Sternsysteme bilden. Im Verlauf der nächsten Jahrmillionen werden sich in dieser Gaswolke Tausende neuer Sterne bilden. Einige dieser Sterne könnten auch ein eigenes Planetensystem ausbilden. In diesem Bild sind eine Infrarotaufnahme des Spitzer-Weltraumteleskops und Daten aus dem sichtbaren Bereich vom HubbleWeltraumteleskop miteinander kombiniert. Zentrum gerichtet ist, könnte man zunächst annehmen, dass der solare Nebel seine sphärische Form bei der Kontraktion beibehalten haben sollte – immerhin erklärt die zum Zentrum gerichtete Schwerkraft auch, warum die Sonne und die Planeten kugelförmig sind. Allerdings ist die Schwerkraft nicht das einzige physi- 325 8 Die Entstehung des Sonnensystems kalische Gesetz, das den Wolkenkollaps beeinflusst. Unter Berücksichtigung aller Gesetze, die den Verlauf des Kollaps einer Wolke bestimmen (vor allem dem Gesetz der Drehimpulserhaltung), sollte der solare Nebel vielmehr eine rotierende abgeflachte Scheibe gewesen sein, die einen zentralen Stern umgab. Aufheizung, Rotation und Abflachung Die ursprüngliche Wolke ist groß und diffus und rotiert unmerklich langsam. Die Wolke beginnt zu kollabieren. Während die Ausdehnung des solaren Urnebels abnahm, veränderten drei wichtige Prozesse seine Dichte, Temperatur und Form. Dabei entstand aus einer großen, diffusen (und weit ausgedehnten) Wolke eine wesentlich kleinere, rotierende Scheibe ( Abbildung 8.3). Aufheizung. Die Temperatur des solaren Urnebels stieg während des Kollapses als Folge der Energieerhaltung (Abschnitt 4.3). Bei der Kontraktion der Wolke wandelte sich ihre potenzielle Energie in kinetische Energie der einzelnen, sich auf dem Weg nach innen befindlichen Gasteilchen um. Diese Teilchen stießen miteinander zusammen und wandelten so die kinetische Energie des Einfalls in thermische Energie um, also die zufällige Bewegung Aufgrund der Energieerhaltung heizt sich die Wolke beim Kollaps auf. Die Drehimpulserhaltung führt dazu, dass sie im Verlauf der Kontraktion immer schneller rotiert. der Teilchen (siehe Abbildung 4.14 b). Die Sonne bildete sich im Zentrum, wo Temperatur und Dichte am höchsten waren. Rotation. Wie eine Eisläuferin, die ihre Arme wäh- rend einer Pirouette anzieht, rotierte der solare Urnebel während der Kontraktion als eine Folge der Drehimpulserhaltung immer schneller (Abschnitt 4.3). Die Rotation der Wolke war vor dem Kollaps vermutlich unmerklich gering, doch durch die Kontraktion war eine schnelle Rotation unausKollisionen zwischen den Teilchen flachen die Wolke zu einer Scheibe ab. weichlich. Durch die Rotation war auch sichergestellt, dass nicht die ganze Materie des solaren Urnebels ins Zentrum gelangte: Je größer der Drehimpuls einer rotierenden Wolke ist, desto ausgedehnter ist sie. Abflachung. Der solare Urnebel flachte sich zu einer Scheibe ab. Diese Abflachung war eine natürliche Folge der Kollisionen zwischen den Teilchen in der rotierenden Wolke. Zu Beginn kann eine Wolke jede Das Ergebnis ist eine rotierende abgflachte Scheibe; ihre Masse ist in der Nähe des Zentrums konzentriert, ihre Temperatur ist im Zentrum am höchsten. Größe oder Form aufweisen und unterschiedliche Bereiche innerhalb der Wolke können sich mit zufälliger Geschwindigkeit in zufällige Richtungen Abbildung 8.3: IF Diese Abfolge von Zeichnungen zeigt, wie durch den Gravitationskollaps einer großen Gaswolke eine rotierende Materiescheibe entsteht. Aus der heißen, zentralen Verdichtung wird ein Stern, in der ihn umgebenden Scheibe können sich Planeten bilden. 326 bewegen. Diese Bereiche kollidieren und verschmelzen während des Kollapses der Wolke und jeder neue Bereich hat dann die mittlere Geschwindigkeit der Wolkenbereiche, aus denen er sich geformt hat.
