Wie alt ist das Universum?
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Wie alt ist das Universum? Dr. B. Pfeiffer Astronomische Arbeitsgemeinschaft Mainz Astronomische Gesellschaft Wahrlich, ein Tag im Angesicht des Herrn ist wie 1000 Jahre in eurer Rechnung. Sure 22,47 • Einführung • Mythologische Kosmogonien • Historische Altersbestimmungen • Altersbestimmungen nach 1900 • Astronomische Verfahren • Galaxienflucht • Kugelsternhaufen • Weiße Zwerge • Radioaktiver Zerfall • Alter des Sonnensystems • Nukleare Kosmochronometer • Konsistentes Weltalter • Was ist die Zukunft des Universums? Das 300000 Jahre junge Universum Vortrag in der VHS-Volkssternwarte Mainz am 20.05.2003 vhs-Kurs "Besondere astronomische Themen" 1 Mythisch-religiöse Kosmogonien Und ihr Einfluss auf die Kosmologie bis heute Schon zu allen Zeiten machte sich der Mensch Gedanken über den Ursprung (und die Zukunft) des Universums. Vor dem Aufkommen der "rationalen" Wissenschaften wurden diese Überlegungen in Form von Mythen wie den Schöpfungsgeschichten (die auch immer die Herkunft des Menschen beschrieben) ausgedrückt und von Generation zu Generation weitergegeben. Dabei lassen sich zwei Hauptgruppen erkennen: • Universum hat keinen Anfang und kein Ende Beispiel: Altindische Kosmologien: Vedische Versepen wie das Mahabharata (etwa 90000 Verse, die mündlich überliefert wurden!!!) • Endliche Dauer von einem Schöpfungsakt bis zu Weltuntergang Beispiel: Judaeo-christliche Lehren Altes/Neues Testament aufgespannt zwischen Genesis (1. Buch Moses) und der Apokalypse des Johannes. Dieser Gegensatz bestimmt bis heute auch noch die astrophysikalischen Theorien. Als zwei Beispiele aus dem (nunmehr) vorigen Jahrhundert seien die kontrovers diskutierten "Stady State"und "Big Bang"-Kosmologien genannt. Und wie wir am Schluss des Vortrages sehen werden, leben diese Gegensätze auch in unserem Millenium fort. 2 Mythisch-religiöse Kosmogonien Altindische Kosmologien I Die altindischen Kosmologien sind in vedischen Versepen wie dem Mahabharata (etwa 90000 Verse, die mündlich überliefert wurden!!!) dargelegt Diese Vorstellungen erfreuen sich großer Beliebtheit in esoterischen Kreisen, die im Internet weit verbreitet sind. Allerdings findet sich quasi fast auf jeder Web-Page eine abweichende Darstellung! Allen gemein ist die Vorstellung, dass der Geschichte ein unendlicher Ablauf von Zyklen zugrunde liegt. Sehr verschieden sind dagegen die Vorstellungen über die Längen dieser Zyklen. Einige Pages nehmen als Basiseinheit "Maha-yugas" von 4.320.000 Jahren unterteilt in 4 Yugas zunehmender Länge, jedoch auch fortschreitendem Laster und Verfall. Aktuell letzter Abschnitt "Kali-Yuga" (das nach Aryabhata 3102 v.Chr. mit einer Konjunktion aller Planeten begonnen haben soll), einem dunklen Zeitalter moralischen Verfalls, dem ein "Goldenes Zeitalter" nach einer Neuordnung der Welt folgen soll. 1000 Maha-yugas sind wiederum ein "Tag" im Leben des Schöpfergottes Brahma, der nach 100 "Brahma-Jahren" (ca. 300 Billionen Jahre) mit dem Kosmos stirbt, um dann nach einer gleich langen "Nacht" wiedergeboren zu werden. 3 Mythisch-religiöse Kosmogonien Altindische Kosmologien I Konjunktion der klassischen "Planeten" am 17.2.3102 v. Chr. in PISCES Andere Gruppen setzen das Maha-yuga mit dem "Platonischen Jahr" gleich, dem ca. 25700 jährigen Torkeln der Erdachse (Lunarsolarpräzession). 4 Mythisch-religiöse Kosmogonien Altindische Vorstellungen II a Im Rahmen des VHS-Astronomiekurses soll ein weiterer Aspekt nicht unerwähnt bleiben, auch wenn er mit Astrologie (und wohl auch Alchemie) eng verwoben ist. Das (Platonische) Großjahr In der Astrologie wird der Stellung der "klassischen" Planeten (inkl. Sonne und Mond) ein Einfluss auf das Leben der Menschen zugeschrieben. Besonders beachtenswert waren die Konjunktionen der Planeten, insbesondere wenn mehrere bis alle sich im gleichen Tierkreiszeichen versammelten. In diesem Zusammenhang allen bekannt sein dürfte die Deutung des Sterns von Bethlehem als Dreifachkonjunktion von Jupiter und Saturn im Jahre 7 v.Chr. durch Johannes Kepler (Links: Trigone der Konjunktionen von 1583 bis 1763). Weniger bekannt sind seine Quellen wie das Werk "De Magnis conjunctionibus" des Abu Ma'shar (Albumazar), der diese Planetenstellungen die "Konjunktionen der Propheten" nennt, da auch im Geburtsjahr Mohammeds 571 A.D. eine Dreifachkonjunktion auftrat. 5 Mythisch-religiöse Kosmogonien Altindische Vorstellungen II b Für unser heutiges Thema relevant sind andere Konjunktionen, die bei Abu Ma'shar eine Rolle spielen. In Anlehnung an indische Astrologen/Astronomen wie Aryabhata lehrte er, dass die Welt begann als alle Planeten bei 1° ARIES versammelt waren und enden wird, wenn sie sich wieder bei 30° PISCES versammeln werden. Basierend auf der Vorstellung der Periodizität der Planetenbewegungen suchten Astronomen vieler Völker nach einem gemeinsamen Vielfachen der Periode aller Planeten, d.h. man glaubte, dass zum Beginn eines Weltalters alle Planeten von einem Punkt auf der Ekliptik loslaufen und nach einem "Großjahr" wieder zu dieser Stellung zurückkehren. Abu Ma'shar (wie auch indische Astronomen) gingen von 360000 Jahren aus. Diese Vorstellungen finden sich auch in anderen Kulturkreisen. So beginnt der chinesische Kalender mit einer Konjunktion aller Planeten Ende Februar 1953 v.Chr. im Sternbild AQUARIUS. 6 Mythisch-religiöse Kosmogonien "Schöpfungstage" Während unsere Vorfahren (Kelten, Germanen) den spärlichen Überlieferungen zufolge anscheinend den bei Indoeuropäischen Völkern verbreiteten Vorstellungen einer unendlich andauernden Welt anhingen (der "Götterdämmerung" folgt eine Neuschöpfung), werden wir heute von den judaeo-christlichen Vorstellungen eines teleologischen Geschichtsablaufs von Schöpfung bis Wiederkehr eines Erlösers mit anschließender zeit- (und somit geschichts-)loser Existenz der Gerechten in der Gegenwart Gottes (und der Sünder im ewigen Inferno) geprägt Doch welcher Zeitraum liegt zwischen Schöpfung und Jüngstem Gericht? Schon vor langer Zeit fiel jüdischen Theologen ein Widerspruch am Beginn der Bibel auf: GENESIS 1,14 Und Gott sprach: Es werden Lichter an der Feste des Himmels, die da scheiden Tag und Nacht und geben Zeichen, Zeiten, Tage und Jahre 1,15 und seien Lichter an der Feste des Himmels, daß sie scheinen auf die Erde. Und es geschah so. 1,16 Und Gott machte zwei große Lichter: ein großes Licht, das den Tag regiere, und ein kleines Licht, das die Nacht regiere, dazu auch die Sterne. 1,17 Und Gott setzte sie an die Feste des Himmels, daß sie schienen auf die Erde 1,18 und den Tag und die Nacht regierten und schieden Licht und Finsternis. Und Gott sah, daß es gut war. 7 1,19 Da ward aus Abend und Morgen der vierte Tag. "Schöpfungstage" Erst am vierten "Schöpfungstag" werden die Himmelskörper erschaffen, die die Länge unseres Tages bestimmen! Wie lang sind dann die sieben "Tage" der Schöpfung? Antwort gibt der 90. Psalm: 90,4 Denn tausend Jahre sind vor dir wie der Tag, der gestern vergangen ist, und wie eine Nachtwache. Durch das ganze Mittelalter (und für christliche Fundamentalisten bis heute) nahm man für das Weltalter 6000 Jahre an, zuzüglich eines weiteren Jahrtausends der Vorbereitung auf die Wiederkunft Christi. [Aus solchen mystischen, judaeo-christlichen Vorstellungen schöpfte selbst noch das sich so neu-heidnisch gebärende "Tausendjährige Reich".] 8 Mythisch-religiöse Kosmogonien Zeitpunkt der Schöpfung Jüdische und christliche Gelehrte hatten auch schon lange versucht, den Zeitpunkt der Schöpfung aus der Bibel herauszulesen, indem sie die Zeitabschnitte (wie das Alter der Patriarchen) aufsummierten. Am bekanntesten sind die Arbeiten des irischen Erzbischofs James Ussher. Fußend auf den Studien Josef Scaligers, der die biblische Chronologie an babylonische Berichte über Finsternisse und Königstafeln aus Ptolemaios Almagest angepasst hatte, bestimmte Ussher als den Tag der Schöpfung den The Annals of the World, 1658 23. Oktober des Jahres 4004 v.Chr. Die jüdische Zeitrechnung beginnt dagegen am 7.9.3761 v.Chr., ebenfalls ausgehend von der Bibel. Um das Jahr 2000 (also 6000 Jahre nach der Schöpfung) treten deshalb viele Endzeitsekten auf. Eine "Große Konjunktion" der klassischen Planeten um den 20. Mai 2000 verstärkte noch die Endzeiterwartungen. Erinnert sei auch an den Kollektivselbstmord der "Heaven's Gate"-Sekte 1998, die ein UFO im Schweif des Kometen Hale-Bopp wähnten! 9 Zeitpunkt der Schöpfung Die Vorstellung einer nur einige tausend Jahre alten Welt findet sich auch in anderen Kulturkreisen. So glaubten die Priester-Astronomen der Maya, dass die letzte Erneuerung der Welt 3114 v.Chr. stattgefunden hatte. Eine Konjunktion aller klassischen Planeten 3102 v.Chr. wurde von indischen (Aryabhata) und arabischen (Abu Ma'shar) Astronomen/Astrologen als Zeitpunkt der Sintflut betrachtet, die ja auch den Beginn eines neuen Zeitalters bedeutet. Es sei noch erwähnt, dass der hochgelehrte James Ussher nicht der erste (und auch nicht der letzte) war, der die Schöpfung (und die 6000 Jahre danach erwartete Wiederkunft des Messias) aus der Bibel herauslesen wollte. Schon im 3. Jh. bestimmte Sextus Julius Africanus das Jahr 500 n.Chr., das dann von Eusebius auf 800 n.Chr. verschoben werden musste (Krönung Karls des Grossen). Usshers Jahr 1996 ist verstrichen! Als nächste Termine kommen 2043 n.Chr. (Beda Venerabilis) und 2060 n.Chr. (Isaac Newton) in Frage. 10 Prophezeiter Weltuntergang im Mai 2000 Für Mai 2000 waren schon seit einigen Jahren vielfältige Katastrophen vorhergesagt worden. Die Massierung der Planeten bedeutet ja, dass sie (wenn man von oben auf das Sonnensystem sehen könnte) wie auf einer Perlenschnur aufgereiht sind, und das auf einer Seite der Erde. Viele meinten, der einseitige Zug der Schwerkraft müsse katastrophale Folgen haben, wie ein Torkeln der Erdachse oder eine Verschiebung der Kontinente. Erstellt mit SkyMap Pro 9 LASCO Coronograph auf SOHO Da auch die Sonne zu den klassischen Planeten zählt, konnte man diese "Grossen Konjunktionen" bisher nur berechnen, nicht jedoch beobachten (ausser es gab mal gleichzeitig eine Sonnenfinsternis (?)). Der Satellit SOHO erlaubte nun erstmals eine direkte Beobachtung (Mars steht links außerhalb des Bildes). Für die Wissenschaftler aufregender war ein starker Koronaler Massenauswurf (in Richtung Pleiaden)! 11 Wissenschaftliche Altersbestimmungen vor 1920 Alter der Erde • Aristoteles lehrte, dass geologische Änderungen über sehr lange Zeiträume erfolgen. • Leonardo da Vinci datiert Sedimente des Po auf mehr als 200000 Jahre • E. Halley schlägt vor Erdalter über Salzeintrag von Flüssen ins Meer zu bestimmen. Wieder aufgenommen von J. Joly 1899. Grobe Abschätzung: (jünger als) 40 - 90 Mill. Jahre • Charles Lyell (Principles of Geology, 1830): mehrere Hundert Mill. Jahre ● Charles Darwin entwickelte Evolutionstheorie in enger Anlehnung an die "Principles", die ohne die extrem langen Zeiträume nicht denkbar war. Abkühlung: • Georges Buffon erhitzte Metallkugel und mass Abkühlung: Erde 75000 Jahre •1862 berechnet Lord Kelvin 20 - 400 Mill. Jahre um die einst geschmolzene Erde auf die heutigen Temperaturen abzukühlen. • 1903: G. Darwin und J. Joly erkennen Beitrag der Radioaktivität zur Wärmebilanz der Erde, ein Effekt der 1862 noch nicht bekannt war. • 1907: B. Boltwood bestimmt Alter von Gesteinen aus Pb/Th/U Gehalt zu 410 - 2200 Mill. Jahren. Energiequelle der Sonne • Verbrennen von Kohle: J.R. Mayer (1842) einige tausend Jahre • Kontraktion der Sonne: Helmholtz (1854) 22 Millionen Jahre Daraus abgeleitet, dass Zivilisationen früher auf Mars (Bradburys Mars Chroniken) und zukünftig auf Venus (SciFi von E.R. Burroughs) existieren. 12 Astronomische Altersbestimmungen Zur Altersbestimmung des Universums bieten sich zwei Hauptmethoden an: • Rückrechnung der "Galaxienflucht" auf den Zeitpunkt des Urknalls • Suche nach den ältesten Objekten im Universum Seit dem Urknall (Big Bang) expandiert der Raum und nimmt die Himmelskörper mit. Kenntnis von den frühen Entwicklungsphasen des Alls können wir zur Zeit nur über elektro-magnetische Strahlung (Licht, Mikrowellen) gewinnen. Da sich diese Objekte in sehr großer Entfernung befinden, können nur sehr intensiv strahlende, mit großer Energiefreisetzung ablaufende Ereignisse wie Sternexplosionen untersucht werden. Für die zweite Methode brauchen wir Kriterien, die zwischen alten und jungen Objekten unterscheiden. Ein Indiz ist die "Metallizität", d.h. das Verhätnis von z.B. Eisen zu Wasserstoff. Eisen als Endprodukt der Elemententstehung in Sternen reichert sich im interstellaren Medium im Laufe der Zeit an. Nimmt man unsere Sonne zum Vergleich, dann sieht man, dass junge Sternentstehungsgebiete (z.B. Orion-Nebel) höhere Werte, viele Objekte im Halo der Milchstrasse (wie die geschlossenen 13 Kugelsternhaufen) wesentlich niedrigere Werte aufweisen. Astronomische Altersbestimmung Entfernungsmessungen Ein uraltes Problem der Astronomie ist die Bestimmung von Entfernungen. Und seit der Antike gab es keinen Fortschritt. Die Entfernung zum Mond wurde mit Hilfe von Mond- und Sonnenfinsternissen recht genau berechnet, der Abstand zur Sonne dagegen wurde um den Faktor 20 unterbestimmt. Dies kam den Menschen sehr gelegen, die eine kleine, heimelige Welt bewohnen wollten ("horror vacui"). Der Abstand zu unseren unmittelbarsten Nachbarn im All wurde erstmals um 1835 von Bessel gemessen Henrietta S. Leavitt (1868-1921) 14 Entfernungsmessungen Die Bestimmung "kosmischer" Distanzen wurde erst durch die Entdeckung der Periode-LeuchtkraftBeziehung von variablen Sternen wie den d Cepheiden möglich. Dadurch erweiterte sich die Milchstraße auf etwa 100000 Lj. Doch noch um 1920 waren viele Astronomen der Meinung, dass das Universum nur aus der Milchstrasse besteht (Shapley-Curtis-Diskussion) und dass die Sterne der Galaxis auf festen Plätzen stehen (Einsteins Kosmologische Konstante). Periode-Leuchtkraft-Beziehung 15 Astronomische Altersbestimmung Galaxienflucht Mit dem 100"-Hooker Teleskop konnte Edwin Hubble in den 20iger Jahren zeigen, dass unsere Milchstraße nur eine unter vielen "Welteninseln" ist. Die Beobachtung einzelner Cepheiden in den Galaxien ergab die Entfernung. Mit Hilfe des Doppler-Effektes konnte Hubble zudem die Geschwindigkeit bestimmen. Erstaunlicherweise gab es eine direkte Abhängigkeit der Geschwindigkeit vom Abstand: Weiter entfernte Galaxien bewegen sich schneller von uns fort (Galaxienflucht). Es gibt keine stabilen statischen Weltmodelle, das Universum kann nur entweder expandieren oder zusammenschrumpfen. Ein expandierendes Weltall muss dann aber einen Anfang in der Zeit haben, der sich aus der Rückrechnung der Fluchtbewegung bestimmen lässt. 16 Galaxienflucht Hubble stützte seine Auswertungen der Cepheiden auf eine Untergruppe, für die die (damalige) Eichung nicht galt. Überdies vernachlässigte er (wie alle Astronomen bis in die 50iger Jahre) die Schwächung des Sternlichts durch interstellares Gas und Staub. Seine Entfernungen waren zu klein (Andromeda-Galaxis 0,5 statt 2,2 Mill. Lj) und somit erhielt er eine Hubbel-Konstante von 500 km/s/Mpc entsprechend einem Weltalter von ca. 1,5 Mrd. Jahren als Geologen schon ältere Gesteine kannten. 17 Hubble-Konstante Aus der aktuellen Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien H0 läßt sich das Weltalte t0 nur unter Annahme eines "kosmologischen Modells" bestimmen. Im Fall eines homogenen und isotropen Raumes ist nur die Materie/Energie-Dichte ρ bestimmend, die als Bruchteil der kritischen Dichte ρkrit angegeben wird: Ω Grün: Ω=0 Schwarz: Ω =1 Rot: Ω =2 Im Fall des "leeren Universums" (grün) gilt H0×t0=1, während für das flache Universum (schwarz) H0×t0=2/3 gilt. Mit H0=65 km/s/Mpc folgt t0=15 Gj (grün), 10 Gj (schwarz) und 8.6 Gj (rot). Leuchtende Materie allein ergibt Ω~0.005, theoretische Kosmologen bevorzugen W=1. Dies führt aber zu ernsten Widersprüchen zu alternativen Altersbestimmungen von Kugelsternhaufen und Sternen, die dann älter als das sie enthaltene Universum sein müssten! 18 Der Lebenslauf der Sterne Das Hertzsprung-Russell Diagram Ähnlich wie wir Menschen haben Sterne einen Lebenslauf, sie werden geboren und sterben. Ihre Lebenserwartung wird durch ihre Masse bestimmt. Schwere Sterne verbrauchen ihren Brennstoff wesentlich schneller als leichte. Mit Modellen der Sternentwicklung lässt sich das Alter angeben. In Diagrammen der Leuchtkraft (Energiefreisetzung) gegen die Temperatur (massenabhängig) lassen sich alle Sterne einordnen (oben für sonnennahe Sterne). Sobald der Wasserstoff im Kern verbraucht ist, verlässt der Stern die Hauptreihe und wird zum Roten Riesen. In einem Kugelhaufen wurden alle Sterne zum gleichen Zeitpunkt gebildet, und je nach ihrer Masse (entsprechend Lebenserwartung) verlassen sie nacheinander die Hauptreihe, beginnend "links oben". 19 Schematische Entwicklung von Sternhaufen Das Alter von offenen oder geschlossenen Kugelsternhaufen lässt sich bestimmen, indem man ein HR-Diagramm aufstellt und ermittelt, welche Sterne gerade die Hauptreihe verlassen und zu Roten Riesen werden. 20 Schematische Entwicklung von Sternhaufen Offene Kugelhaufen M92 (NGC6341) in Hercules 21 HR-Diagramm von geschlossenen Kugelhaufen 47Tuc (NGC 104) Dank verbesserter Sternentwicklungsmodellen und Entfernungsmessungen durch den HIPPARCOS Satelitten gibt es jetzt allgemein anerkannte Altersbestimmungen der Galaktischen Kugelhaufen. Die Kugelhaufen sind zwischen 11 und 14 Mrd. Jahre alt und somit gehören sie zu den ältesten Objekten der Milchstraße, älter als die Sterne in der Scheibe. 22 Abkühlung Weißer Zwerge Wie (Einzel-)Sterne ihr Leben beenden, wird von ihrer Geburtsmasse bestimmt: Alle Sterne mit weniger als etwa 75% der Masse unserer Sonne leben noch. Sterne mit mehr als 7 - 8 Sonnenmassen übersteigen am Ende des Hauptreihenstadiums die Chandrasekhar-Grenzmasse und explodieren als Supernova. Alle anderen Sterne verlieren soviel Masse, dass sie im "Friedhof der Sterne" als Weiße Zwerge enden. Das geschieht durch intensive Sternenwinde und Abstossung der Hülle. Die Vorläufersterne der Weißen Zwerge können nicht alle Brennphasen bis zum Eisen durchlaufen, sie synthetisieren Elemente bis zu C und O. Nach Abstoßung der Hülle verbleibt der Kern, manche vermuten gar, dass ein Weißer Zwerg als erdgrosser Diamant vorliegt. Dieser Kern hat die hohen Temperaturen der letzten Brennphasen und kühlt danach über extrem lange Zeiträume ab. Die expandierenden Gasmassen, die von dem sehr heißen Weißen Zwerg zum Leuchten angeregt werden, sind als "Planetare Nebel" beliebte Beobachtungsobjekte. Planetarischer Nebel Shapley-1 in NORMA 23 Weiße Zwerge in M4 Da im Weißen Zwerg keine energiefreisetzenden Kernreaktionen mehr ablaufen, kühlt er sehr langsam über "kosmologische" Zeiträume durch Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung ab. (Der eventuelle Einfluss sog. "pykno-nuklearer Reaktionen" ist noch wenig erforscht!) Mit dem Hubble-Weltraumteleskop wurde der nächstgelegene Kugelhaufen (Messier) M4 (Abstand 7200 Lj) insgesamt 8 Tage lang beobachtet. Die ältesten Weißen Zwerge haben ein Alter von (12,7 ±0,7) Mrd. Jahre. Ihre Vorläufersterne hatten die maximale mögliche Masse von etwa 8 Sonnenmassen und lebten somit nur einige 10 Millionen Jahre. Die etwa 13 Mrd. Jahren stellen damit das Alter des Kugelsternhaufens und eine untere Grenze des Weltalters dar. 24 Radioaktiver Zerfall Der Zerfall radioaktiver Substanzen lässt sich zur Altersbestimmung heranziehen. Die Halbwertszeiten spannen einen weiten Bogen von Bruchteilen von Sekunden bis Vielfache des Weltalters. Die Methode ist daher universell einsetzbar. Bekannt ist die Radiokarbon-Datierung, die die Archäologie revolutioniert hat. Sie weist aber auch auf Probleme der Methode hin, die meist verschwiegen werden. Das Zerfallsprodukt des C-14 ist N-14, also der allgegenwärtige Stickstoff. Eine Messung des C-14-Gehalts lässt sich nur dann in ein Alter umrechnen, wenn man den ursprünglichen Gehalt an C-14 kennt. Lange hielt man diesen für konstant, da der C-14 durch die Kosmische Strahlung in der Hochatmosphäre gebildet wird. Heute weiss man, dass die Intensität der Kosmischen Strahlung von dem Aktivitätsgrad der Sonne abhängt und benutzt die rekalibrierten Radiokarbondaten als Indikator für die Sonnenaktivität, die auch Auswirkungen auf das Klima hat. 25 Radioaktiver Zerfall Vulkangestein lässt sich mit der K-Ar-Methode datieren, da aus der heissen Schmelze das Edelgas Argon entweicht. Alles im Stein vorhandene Argon ist aus dem K-40 nach dem Erstarren gebildet worden. Ein vulkanisch sehr aktives Gebiet ist der Ostafrikanische Grabenbruch, die Urheimat des Menschen. Fossilien lassen sich mit Hilfe der vielen Ascheschichten datieren. Auch die ersten Europäer aus dem Kaukasus wurden zwischen Ascheschichten gefunden, die für einen unerwartet frühen Auszug aus Afrika sprechen. Homo Georgicus, 1,8 Millionen Jahre 26 Alter des Sonnensystems Mit K-Ar-, Rb-Sr- oder U/Th-Pb-Chronometern lässt sich das Alter des Sonnensystems bestimmen. Die Steinplaneten haben durch ihre inneren Wärmequellen eine bewegte geologische Geschichte, sodass sich nur Andeutungen der alleresten Phasen ihrer Entstehung finden lassen. Älteste irdische (Sediment-)Gesteine enthalten noch ältere, winzige Zirkon-Kristalle, wie in den Jack Hills in Australien (s. links: 4.3 Gj, Hinweise auf Ozeane) und der Akilia-Formation auf Grönland (3.85 Gj, könnten Spuren von Leben enthalten). Sie kristallisieren aus der Schmelze, nehmen dabei Uran, jedoch kein Blei auf. Bestimmung von U und Pb ergibt das Alter. Das Alter des Sonnensystems (als unteren Grenzwert für das Weltalter) lässt sich nur aus ursprünglichen Meteoriten bestimmen, die sich chemisch/mineralogisch nicht differenziert haben: kohlige Chondrite. Das Sonnensystem kondensierte aus einer Gas- und Staubwolke vor 4,6 Mrd. Jahren. 27 Radioaktivität im All Bis vor einigen Jahren konnte man radioaktive Stoffe direkt (oder indirekt über Zerfallsprodukte) nur in irdischem Gestein und Meteoriten nachweisen. Eine Ausnahme bildete der optisch-spektroskopische Nachweis des Elementes Technetium in Roten Riesen. Da es kein stabiles Technetium gibt, zeigt der Nachweis des relativ kurzlebigen Tc, dass die Bildung neuer Elemente ein noch heute stattfindender Prozess ist (und dass es in diesen Sternen einen Austausch von Material zwischen Kern- und Oberflächenbereichen gibt). Mittlerweile können Gammastrahlen-Satelliten einige Isotope direkt durch ihre GammaStrahlung nachweisen, wie das links gezeigte Al-26, dessen Zerfallsprodukt Mg-26 schon in Meteoriten nachgewiesen wurde. 28 Radioaktivität im All Während die "kurzlebigeren" Nuklide der rechten Spalte z.B. Hinweise auf die Bildung des Sonnensystems geben, gestatten die Kosmochronometer der linken Spalte Aussagen über das Alter des Sonnensystems und selbst des Universums. 29 Synthese der schweren Elemente Mit Ausnahme des Al-26 haben alle in der Tabelle aufgeführten Isotope Massen größer als Fe-56, das das Endprodukt der Elemententstehung in den energiefreisetzenden Brennphasen der Sterne ist. Alle schwereren Elemente werden durch sukzessiven Einfall von Neutronen und darauffolgendem β-Zerfall gebildet. 30 Synthese der schweren Elemente Abhängig vom Neutronenfluss gibt es zwei Synthesewege: zum einen bei geringer Neutronenzahl entlang den stabilen Isotopen bis herauf zu Bi-209 (slow process) und zum andern bei sehr hohen Neutronenzahlen fernab der Stabilität bis zu den instabilen Aktinidenelementen (rapid process). Der zweite Prozess läuft in SN-Explosionen und der erstere in Roten Riesen Sternen ab. Die Vorläufer der SN sind kurzlebige (massereiche) Sterne und somit wurden im sehr frühen Universum nur r-Prozess-Kerne wie Th-232 und U-238 gebildet. 31 Thorium und Uran als Äonenuhren Bei der Altersbestimmung des Sonnensystems erweisen sich Thorium und Uran als ideale Chronometer, da z.B. die HalbwertsZeit des U-238 fast gleich dem Alter des Sonnensystems ist. Und auch der Wert für Th-232 (14 Mrd. Jahre) liegt im Bereich des erwarteten Alters des Universums. Bei der Anwendung auf stellare Objekte gibt es jedoch einige Probleme. In Sternspektren lassen sich i.a. nur Elemente, keine Isotope nachweisen. In Meteoriten lassen sich die verschiedenen Zerfallsreihen anhand der Bleiisotope, in denen sie enden, unterscheiden. Überdies ist Blei von terrrestrischen Teleskopen nur sehr schwer nachzuweisen. Sehr oft kann man deshalb nur Thorium messen. Zur Altersbestimmung muss man aber die ursprüngliche Menge kennen. Sie kann nur aus theoretischen Modellen der Nukleosynthese bestimmt werden. Die langen Halbwertszeiten bedeuten zudem, dass sich die Thund U-Gehalte über lange Zeiträme (d.h. viele Sterngenerationen) ansammeln. 32 Thorium und Uran als Äonenuhren Ein Ausweg aus dem zuletzt erwähnten Dilemma eröffneten die neuen lichtstarken Großteleskope, die auch noch bei weit entfernten Sternen im Halo detaillierte Spektroskopie ermöglichen. Nach langer Suche konnten Sterne entdeckt werden, die extrem geringe Eisengehalte aufweisen, also sehr alt sein müssen. Und einige wenige darunter haben zudem relativ hohe Gehalte an schweren Elementen. Ein Vergleich mit solaren Elementhäufigkeiten zeigt, dass diese Sterne nur im r-Prozess gebildetes Material enthalten. 33 Spektrallinien Die Ermittlung der elementaren Häufigkeiten in Halo-Sternen erfordert selbst mit den größten Teleskopen und hochauflösenden Spektrometern die Messungen und ihre Auswertung bis an die Grenzen des technisch machbaren zu treiben. Hilfreich sind die wesentlich geringeren Häufigkeiten von z.B. Eisen (bis zu tausendfach) verglichen mit der Sonne. U-238 hat eine deutlich kürzere Halbwertszeit als Th-232. Deshalb ist noch wenig vom ursprünglichen Gehalt übrig. Der sichere Nachweis gelang erst in zwei Halo-Sternen. 34 Altersbestimmung von Objekten im Galaktischen Halo In einigen dieser Riesensterne konnten die Häufigkeiten für eine ganze Reihe von Elementen bis herauf zu den radioaktiven Th (und teilweise U) bestimmt werden. Ab Ba stimmen diese Werte sowohl mit den solaren als auch mit theoretisch berechneten Mustern überein. Die Unterhäufigkeit von Th und U erklärt sich aus dem radioaktiven Zerfall dieser Elemente. Durch Vergleich mit stabilen Elementen wie Eu ergibt sich ein Zerfallsalter dieser Elemente zu 12 bis 15 Mrd. Jahren Für einige Riesensterne im geschlossenen Kugelsternhaufen M15 konnten Eu- und Th-Gehalte bestimmt werden. Als Mittelwert ergibt sich ein Alter von (14±4) Mrd. Jahren. Dies ist in guter Übereinstimmung mit alternativen Altersbestimmungen von Kugelsternhaufen sowohl über HR-Diagramm als auch der Abkühlung Weißer Zwerge. 35 s-Prozess Kosmochronometer Auch im s-Prozess werden instabile Isotope mit sehr grossen Halbwertszeiten gebildet, wie z.B. Lu-176 mit ca. 38 Mrd. Jahren. Deshalb nahm man lange an, damit liesse sich die Dauer der s-Prozess-Nukleosynthese ermitteln. Doch gibt es Probleme mit der Kernstruktur. Die lange Halbwertszeit gilt für den Grundzustand von Lu-176. Es gibt jedoch einen angeregten Zustand bei 123 keV Energie, der mit einer Halbwertszeit von lediglich 3,7 Std. zerfällt. Da beide Zustände sehr unterschiedliche Kernstruktur aufweisen (Spin 7- und 1-), nahm man an, dass der kurzlebige Zustand nicht stören könnte. Doch in Sternen befinden sich Atome in einem Bad hochenergetischer Strahlung, die über Umwege den isomeren Zustand bevölkern kann. Dadurch wird die tatsächliche Lebensdauer des Lu-176 in einem Stern dramatisch verkürzt. Aufenthaltszeiten in und ausserhalb von Sternen und die stellaren Bedingungen lassen sich nicht befriedigend abschätzen, so dass dieser Kosmochronometer von geringer Bedeutung ist. Im Fall des r-Prozess-Chronometers Re-187 mit ca. 50 Mrd. Jahren gibt es ähnliche Probleme. Die Halbwertszeit hängt davon ab, wieviel Elektronen um den Kern kreisen. Vor kurzem gelang es an der GSI in Darmstadt die Halbwertszeit von "nackten" Re-187 Kernen zu 33 Jahren zu messen. In einem Stern verliert das Re zwar nicht alle Elektronen, doch die Halbwertszeit ändert sich je nach Umgebungsbedingungen. Mit theoretischen Modellen der galaktischen chemischen Evolution lässt sich aus dem Verhältnis von Re-187 zu Os-187 in Meteoriten ein Alter von 15 Mrd. Jahren abschätzen. 36 Beobachtung weit entfernter Supernovae Wenn ein Weißer Zwerg als Einzelstern entsteht, so konnten wir aus seiner Abkühlungsrate das Weltalter abschätzen. Wenn Weiße Zwerge Teil eines Doppelsternsystems sind, so verläuft ihr weiteres Leben wesentlich spektakulärer. Wenn ihre Masse durch überströmende Materie vom Begleitstern das Chandrasekhar-Limit von 1,4 Sonnenmassen übersteigt, endet der Weiße Zwerg in einer Supernova-Explosion vom Typ Ia. Da alle diese Sn Ia die gleiche Helligkeit haben, sind sie als Standardkerzen geeignet und überdies über extrem weite Entfernungen (über 10 Mrd. Lj) zu beobachten. 37 Beobachtung weit entfernter Supernovae Seit etwa 10 Jahren suchen zwei Kollaborationen den Himmel systematisch nach den weitest entfernten SN Ia ab. Diese müssen sich zu einer Zeit ereignet haben, als das All noch viel kleiner war und die Materie deshalb enger gepackt war. Die grössere gegenseitige Anziehung hätte die Expansionsrate des Alls verringern müssen. Eine Messung dieses Effektes sollte Auskunft über die Dichte der Materie im All geben, die ja auch bei der Umrechnung der Hubble-Konstanten in ein Weltalter eingeht. Die am weitesten entfernten SN Ia hatten Helligkeiten, die etwa 15% unter den Erwartungen blieben. Wenn diese frühen SN die gleichen Leuchtstärken aufweisen wie heutige, müssen sie weiter entfernt liegen als auf Grund ihrer Fluchtgeschwindigkeiten berechnet. Nach langer, sorgfältigster Überprüfung ihrer Daten mussten beide (sichtlich erschütterten) Teams Ende 1998 mitteilen, dass sie anstatt der erwarteten Abbremsung eine Beschleunigung der Expansion des Universums beobachten 38 Materie-Energie-Dichte das Universums Wie wir vor einigen Minuten sahen, ist das aus der Hubble-Konstanten folgende Alter abhängig von der Materie-/Energiedichte des Universums. Die SN-Resultate lassen sich am Besten erklären, wenn man die kritische Dichte annimmt. Eine unabhängige Bestimmung ist aber erforderlich. Die Gesamtdichte des Alls beeinflusst die Amplitude von Dichteschwankungen im sehr frühen Universum, die als minimale Temperaturschwankungen in der Kosmischen Hintergrundstrahlung gemessen werden können. 39 Materie-Energie-Dichte das Universums Der COBE-Satellit hatte den gesamten Himmel mit geringer Auflösung kartographiert. Jetzt werden detaillierte Messungen sowohl kleiner Himmelsbereiche durch ballongetragene Instrumente als auch neue verbesserte Kartographierungen vorgenommen (siehe links oben WMAP-Satellit). Ergebnis: Universum ist flach (gehorcht Euklidischer Geometrie), oder anders gesagt: Universum hat kritische Dichte. Dabei hat die leuchtende und dunkle Materie einen Anteil von ca. 25%, die restlichen 75% (dunkle Energie genannt) sind (noch) völlig unbekannt und für die beschleunigte Expansion verantwortlich. 40 Alter aus Galaxienflucht In Kombination mit dem neuesten Wert der Hubble-Konstante ergibt sich ein Weltalter von 14 bis 15 Mrd. Jahren. Es sei daran erinnert, dass sich ohne die beschleunigte Expansion mit diesem Wert der HubbleKonstante ein Weltalter von ca. 10 Mrd. Jahren ergibt Weiter offen bleibt die Frage, aus was denn nun die Welt besteht. Die leuchtende Materie hat einen verschwindenden Anteil und Dunkle Materie und Energie und Kosmologische Konstante usw. sind wohlfeile Begriffe, die aber nur die Unkenntnis und Hilflosigkeit der Astrophysiker (ich will mich nicht ausnehmen) bemänteln. 41 Konsistentes Weltalter Dieser Wert stimmt jetzt (im Rahmen der noch relativ grossen Unsicherheiten) gut mit den anderen Verfahren überein, die wir zuvor besprochen haben. Es darf nicht vergessen werden, dass die anderen Verfahren nicht unmittelbar das Alter des Universums, sondern Grenzwerte für den Beginn der Sternentstehung und die Synthese der "Metalle" im frühen All bestimmten. Die ersten Galaxien/Sterne konnten erst entstehen, nachdem sich die Dunkle Materie/Energie auf Grund der primordialen Dichteschwankungen aus dem Big Bang zusammengeballt hatte. Der kleine Anteil an normaler Materie wurde mit verdichtet und nach 500 bis 1000 Millionen Jahren leuchteten die ersten Sterne auf. Diese Zeitspanne muss noch dazugezählt werden. Methode Alter in Mrd. Jahren Kugelsternhaufen 11 - 14 Weiße Zwerge 12 - 14 Radioaktivität 12 - 15 Expansion 14 - 15 42 Konsistentes Weltalter Kürzlich wurde dieser extrem rotverschobene Quasar entdeckt, der vor etwa 13 Mrd. Jahren entstand. Die Tatsache, dass alle Verfahren auf ein konsistentes Alter um 15 Mrd. Jahre hinweisen, bedeutet andererseits, dass die den unterschiedlichen Methoden zugrunde liegenden physikalischen Annahmen hinreichend begründet sind. Verbesserungen im Detail sind natürlich weiterhin erforderlich und werden in Zukunft zu geringeren Unsicherheiten führen. 43 Was ist die Zukunft des Universums? "Nahe"und ferne Katastrophen I Nach der fernen Vergangenheit noch ein Blick auf die nähere und fernere Zukunft. Das Leben hat sich über 3,5 Mrd. Jahren auf der Erde gehalten, und das obwohl unser Planet zeitweise recht lebensfeindlich war. Was müssen wir und künftige Generationen fürchten? "Unmittelbare" Ereignisse Einschlag eines Asteroiden/Kometen "Saurierkiller" (über 10 km Durchmesser) haben Abstände von ca. 100 Mill. Jahren (zufällig verteilt !!!). Der Körper, der 1908 über Sibirien explodierte, hatte nur ca. 50 m Durchmesser. Die freigesetzte Energie entsprach jedoch schon 1000 Hiroschima-Bomben. Neue Ultra-Mikrofone registrieren etwa 30 Detonationen von 1000 Tonnen TNT pro Jahr in der Atmosphäre. Neue Spionagesatellitendaten ergeben folgende Abschätzungen: Tunguska 400 Jahre, 1 Mt 100 Jahre, 5 kt 1 Jahr. Ausbruch eines Supervulkans Letztes Ereignis Toba/Indonesien vor etwa 75000 Jahren, "zeitgleich" mit Fast-Aussterben des Homo Sapiens Sapiens. Nächster Kandidat Yellowstone, permanente Überwachung hat begonnen. 44 "Nahe"und ferne Katastrophen I Nahe Supernova-Explosion Die Strahlung von Supernovae könnte ein Massensterben auslösen. Man ist sich nicht sicher, wie Nahe es sein darf. Vermutet wird, dass eine Serie von SNe in den nahen Scorpius-Centaurus OB-Assoziationen in den letzten 10 Mill. Jahren Auswirkungen auf das Leben hatte, vielleicht sogar die Evolution des Menschen beeinflusste. Ein akuter Kandidat ist Betelgeuse im ORION, der aber mit 430 Lj weit genug entfernt sein dürfte. 45 Was ist die Zukunft des Universums? "Nahe"und ferne Katastrophen II Zeitraum Hunderte Millionen Jahre Kollision mit Andromeda Galaxie Der Abstand zu unserer Schwestergalaxis verringert sich pro Stunde um etwa 600 000 km. Bei der Wechselwirkung in einigen Mrd. Jahren werden unzählige neue Sterne gebildet werden. Die schwersten werden schnell als SN explodieren unter Freisetzung tödlicher Gamma-, Röntgen- und Neutrinostrahlung. NGC4676 (Die Mäuse) Langsame Erwärmung der Sonne ("Schneeball-Erde") Ein sich selbst verstärkender Treibhauseffekt lässt die Ozeane verdampfen lange bevor die Erde im Riesenstadium verschluckt wird. Lebensfeindliche Bedingungen ähnlich heutiger Venusatmosphäre. Migration zum Mars, Monde der Gasplaneten, ferne Sonnensysteme? Nur ein neues Untergangsszenario aus Hollywood? Der Film basiert zum Teil auf den Theorien von Dr. Herndon. Er geht davon aus, dass sich die Erde aus Uran-/Thoriumreichem Staub entsprechend den Enstatit-Meteoriten gebildet hat. Diese schweren Elemente haben sich im Erdkern abgesetzt und bilden einen natürlichen Kernreaktor, der den umgebenden Nickel-Eisen-Kern flüssig hält. Die Konvektionsströme verursachen das Erdmagnetfeld, das uns vor der kosmischen Strahlung schützt. Bestimmte Spaltprodukte wirken als "Neutronengifte" und bringen die Kettenreaktion zum Erliegen, die erst wieder anläuft, wenn diese Gifte herausdiffundiert sind. Dr. Herndon erklärt damit die Perioden der Umpolung des Erdmagnetfelds. Doch irgendwann wird der Kernbrennstoff verbraucht sein! 46 Hollywood kann anregend sein! Mission to Earth's core a modest proposal Not science fiction, but a technically feasible plan to probe our planet's inner workings. David J. Stevenson (CalTech) Nature Vol. 423 No. 6937 (15.05.03) p. 239 47 Was ist die Zukunft des Universums? Kosmologische Zeiträume Arp252 Kosmologie beginnt gerade erst wenigstens teilweise zu einer experimentell überprüfbaren Wissenschaft zu werden. Vorstellungen/Theorien oft stark von Philosophie/Religion beeinflusst. Eine alte Frage taucht immer wieder auf: Ist die Welt ewig oder von endlicher Dauer? Im letzten Jahrhundert: "Steady state" gegen "Big Bang" Das aktuelle Standardmodell lässt nur zwei Möglichkeiten: Kältetod oder "Big Crunch" Allgemeine Relativitätstheorie hat keine statische Lösung: unbegrenztes Anhalten der Galaxienflucht oder Umkehrung der Expansion und Quasi-Rückkehr zur Singularität des Urknalls. Hierüber gibt es viele Bücher und Fernsehsendungen mit unvorstellbar langen Zeiträumen (Zahlen mit weit über Hundert Nullen) und grausigen Aussichten wie Zerfall aller Materie und selbst der Schwarzen Löcher durch Hawking-Strahlung. Deshalb muss ich hier nicht auch noch darauf eingehen. 48 Messungen an SNe deuten sogar auf beschleunigte Expansion des Universums hin: Hat erstaunliche Konsequenzen, da die entferntesten Objekte irgendwann Lichtgeschwindigkeit erreichen und wir dann keine Informationen über sie erfahren können: unser Ereignishorizont (de Sitter Horizont) schrumpft! Kann z.B. tiefgreifende Folgen für "Leben" in (sehr ferner) Zukunft haben. Doch Vorsicht! Unlängst merkte einer der führenden Kosmologen, Andre Linde (Inflationäres Modell), an, dass man, solange man nicht weiß, was die beschleunigte Expansion bewirkt, keine gesicherten Aussagen über die Zukunft machen kann. Die Expansion könnte sich auch wieder umkehren! Vielleicht schon sehr bald. Alternativen zur Allgemeinen Relativitätstheorie wie SuperstringTheorien machen teilweise radikal andere Aussagen, selbst zur Zeit vor dem Urknall. Doch sie sind solange nur mathematische Hypothesen wie es keine experimentelle Überprüfung gibt. Beispiele: "Ekpyrotisches Universum" und Weiterentwicklung zur "Zyklischen Theorie". Vortrag in der VHS-Volkssternwarte Mainz am 20.05.2003 vhs-Kurs "Besondere astronomische Themen" 49 Vorschau Die neuen Planetensysteme Andreas Corell Dienstag 27. Mai 2003 19:30 50
