Johannes Kepler Schwarze Löcher und andere Sonnensysteme
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Johannes Kepler Schwarze Löcher und andere Sonnensysteme Prof. Dr. Hans-Peter Röser Institut für Raumfahrtsysteme Universität Stuttgart Version-090924 Meine Damen und Herren, lieber Herr Kollege Maag, es ist mir eine Freude in dieser Ringvorlesung Johannes Kepler und das Weltbild des modernen Menschen als Naturwissenschaftler und Vertreter der Raumfahrt den Auftakt zu machen. Insbesondere da nach mir keine Ingenieurwissenschaftler sondern Literaten, Musiker, Architekten, Philosophen und Historiker sowie Theaterwissenschaftler das Thema der Ringvorlesung vorwiegend aus einer ganz anderen Sicht beleuchten. Die Nicht-Naturwissenschaftler unter Ihnen brauchen keine Angst vor zu vielen mathematischen Formeln und Gleichungen zu haben, denn ich werde mich bemühen, in bildhafter Sprache und Animationen den Einfluss Keplers auf den modernen Menschen und den heutigen Wissensstand zu erklären. Ich werde Sie nicht nur in die Unendlichkeit des Weltraums entführen, sondern ich werde mich auch zwischen Ihnen hin und her bewegen, um Ihnen die Tragweite der Keplerschen Gesetze in der modernen Physik im wahrsten Sinne des Wortes näher zu bringen. Das Motto meines Vortrages ist „Alle Menschen leben unter einem Himmel aber die Menschen haben alle einen verschiedenen Horizont“. Und eine der Personen, die einen wesentlich weiteren Horizont als die meisten von uns haben und haben werden, war Johannes Kepler. Ich werde Ihnen erläutern, was er den modernen Menschen hinterlassen hat, wo er in allerjüngster Zeit ständig noch bemüht und gebraucht wird und wo er bei der Suche nach neuen Erkenntnissen zum Einsatz kommt. Allerdings werde ich in meinem Vortrag nur kurz die Biographie Johannes Keplers (1571 – 1630) behandeln, und zwar dort, wo sie für das Verständnis benötigt wird. Meine nachfolgenden Redner der Ringvorlesung werden diese Informationslücke sehr ausführlich und mit großem Sachverstand für Sie füllen. 1. Das Jahr der Astronomie 2009 Das Jahr der Astronomie 2009 bezieht sich unter anderem auf Keplers Entdeckung der sogenannten ersten und zweiten Keplerschen Gesetze und deren Veröffentlichung in der Astronomia Nova im Jahre 1609. Ergänzend ist noch das dritte Keplersche Gesetz zu nennen, das er 1619 in Harmonices Mundi niedergeschrieben hat, weil die Gesamtheit der drei Gesetze die wichtige Grundlage für meinen Vortrag ergibt (Abb. 1). Mein Vortrag ist wie folgt strukturiert: Zu Beginn möchte ich meine persönliche Einschätzung geben zu der Thematik „Was ist der moderne Mensch aus der Sicht der Raumfahrt in Bezug auf die Keplerschen Gesetze“. Dann folgt eine kurze Beschreibung „des Weltbildes zur Zeit Keplers“, und abschließen möchte ich mit dem Thema „Mit Kepler zum Bild des Universums von morgen“. Sie werden in höchstem Maße erstaunt sein, wie weit oder wie nah das Universum letztlich für uns ist. 1 Abbildung 1: Die Keplerschen Gesetze aus 1609 und 1619 2. Kepler und die moderne Raumfahrt Wir machen einen Zeitsprung zurück und zwar zum ersten Sprung der Raumfahrt in den Weltraum. Es ist der Moment, in dem sozusagen die moderne Raumfahrt - nicht in der Theorie sondern in der Praxis - begonnen hat: Am 03. Oktober 1942 wurde in Peenemünde das Raumfahrtaggregat A4 – die spätere V2 – erstmalig erfolgreich gestartet. Mit einem Startgewicht von etwa 14 t, gegenüber 500 – 700 t für heutige ARIANE Raketen, wurde die A4 auf eine Höhe von 84 km gebracht. Diese Rakete hatte einen anderen Zweck als hochzusteigen, sie war gezüchtet, als Waffe mindestens 300 km weit zu fliegen und möglichst viel Tod und Zerstörung zu verursachen. Aber es wäre auch die erste Möglichkeit gewesen, einen Satelliten - wenn auch nur ballistisch - in den Orbit zu bringen. Der nächste große technologische Sprung hat weitere 15 Jahre gedauert: Am 04. Oktober 1957 brachten die Sowjetunion den ersten Satelliten „Sputnik“ in eine Umlaufbahn in den niedrigen Erdorbit. Es war ein kugelförmiger Kleinsatellit mit 58 cm Durchmesser und nur 83,6 kg, ein Gewicht, das manch einer der Zuhörer auf die Waage bringt. Er lebte zwar nur 21 Tage, hat allerdings, wie wir aus der Geschichte seitdem wissen, die Welt in politischer wie technologischer Hinsicht revolutioniert. Seine Umlaufbahn war mit den Erdabstandswerten 229 km und 946 km leicht ellipsenförmig und stellte die erste von Menschen geschaffene künstliche Keplerbahn dar 2 (Abb. 2). Damit bewegte sich der Sputnik um die Erde, so wie die Planeten um die Sonne kreisen, für die Kepler seine Gesetze aufgestellt hatte. Von diesem Zeitpunkt an ist die Anzahl der pro Jahr gestarteten Satelliten ständig gestiegen, bis sich ab 1965 ein weltweiter Wert von nahezu 120 Satelliten pro Jahr einpendelte (Abb. 3), der heute noch seine Gültigkeit hat. Das sind im Mittel zwei bis 3 Satelliten pro Woche, wobei die militärischen Satelliten annährend die Hälfte ausmachen. Alle Satelliten bewegen sich auf den besagten Keplerbahnen – kreisförmig, elliptisch, polar, äquatorial - im niedrigen Erdorbit bis zu einer Höhe von etwa 1.000 km, im geostationären Orbit bei etwa 36.000 km und in vielen Bahnformen und Positionen dazwischen bzw. darüber hinaus. Viele Sonden haben bereits das System Erde-Mond verlassen, um andere Himmelskörper in unserem Sonnensystem zu besuchen. Dabei reicht das Satellitengewicht von ein paar Kilogramm bis zu zehnTonnen. Abbildung 2: Sputnik mit Keplerbahnebene. Die Umlaufbahn ist leicht elliptisch mit einem maximalen Abstand von Erdoberfläche (Aphel) von 946 km und einem minimalen Abstand (Perigeum) von 229 km. Haben in den 60er Jahren nur große Nationen bzw. politische Blöcke einen Satelliten entwickelt und anschließend betrieben, so können heute bereits Studenten im Rahmen von Doktorarbeiten einen vollständigen Kleinsatelliten entwickeln, fertigen und, wenn er im niedrigen Orbit die Erde umkreist, ihn auch mit einer Minibodenstation betreiben. So habe ich u. a. zusammen mit Studenten mehrere Kleinsatelliten gebaut und erfolgreich in den Erdorbit gebracht. Abbildung 4 zeigt als Beispiel den Kleinsa3 telliten DLR-TUBSAT, der würfelförmig mit ca. 40 cm Kantenlänge und 42 kg Gewicht 1999 mit einer indischen Rakete gestartet wurde und seitdem betrieben wird. Zwei Doktoranden, die bei Prof. Udo Renner von der TU Berlin und mir promovierten, haben in einer drei- bis 4jährigen Arbeit diesen Satelliten gebaut. Dabei wurden vorwiegend konventionelle Massenprodukte aus Elektronik- und Baumärkten verwendet, die erfolgreich Raumfahrtqualifizierungstests bestanden haben. Dadurch war es möglich, im Zeitraum 1995 - 1999 den gesamten Satelliten zu einem für eine Universität angemessenen Kostenrahmen von rd. 130.000 € (250.000 DM) zu fertigen. Ein sehr preiswerter Start wurde durch eine Mitfluggelegenheit erreicht. Wenn ein großer Satellit von z. B. einer Tonne Gewicht gestartet wird, hat der Raketenbetreiber eine Reserve von ca. zehn Prozent der Nutzlast vorgesehen, um den exakten Orbit entsprechend der Bestellung des Kunden zu erreichen. Genau diese Reserve bietet die Gelegenheit, bei ihrer Nichtinanspruchnahme einen Kleinsatelliten mitzunehmen. Da der Start bereits vom Hauptpassagier bezahlt wurde, lässt sich häufig mit dem „Spediteur“ für die nur ca. 15 Minuten dauernde Reise, beispielsweise in einen ~700 km hohen Orbit, ein Ticket vereinbaren, das auch eine Universität bezahlen kann. Allerdings gibt der Hauptsatellit den genauen Erdorbit vor. Abbildung 3: Weltweite Satellitenstarts im Zeitraum 1957 - 1980 Nach zehn Jahren Betriebszeit funktioniert der Kleinsatellit DLR-TUBSAT immer noch, obwohl die Batterien in ihrer Leistungsfähigkeit schon merklich nachlassen. Auf diese Weise haben wir mehrere Satelliten, im Wesentlichen von Studenten gefertigt, per Mitfluggelegenheit in den Orbit gebracht und in Betrieb genommen. Die nachfolgend in meinem Vortrag gezeigten Satellitenaufnahmen von der Erde, die mit diesen Kleinsatelliten aus einer Höhe von 724 km bei einer Geschwindigkeit von ca. 28.000 km/h gemacht wurden, demonstrieren ohne viele Worte, dass solche Geräte einfach 4 prima funktionieren und die heutige Raumfahrt zum Anfassen ist. Aus meiner Sicht sind Satelliten die primitivsten Fahrzeuge, die Sie sich vorstellen können. Jedes Auto, das Sie heute fahren, ist wesentlich komplizierter als solch ein Kleinsatellit. Das Charakteristische, was den „modernen“ Studenten in der Raumfahrt ausmacht, ist: Er wendet die keplerschen Gesetze bereits während der Studienzeit an und setzt sie in reale Gerätschaften um. Manche Studenten machen daraus auch ein reales Geschäft. Abbildung 4: Der Kleinsatellit DLR-TUBSAT gestartet in einer Mitfluggelegenheit bei der Indischen Raumfahrtorganisation (ISRO) 3. Satelliten auf Keplerbahnen Die Keplerbahnen der Satelliten sind so gewählt, dass sie eine Höhe von ca. 350 km über der Erdoberfläche nicht unterschreiten, wie in Abbildung 5 erläutert. Diese Höhengrenze von 350 km, bis zu der sich die tiefsten Satelliten bewegen, darf durch diese nicht unterschritten werden, weil der Rest der Atmosphäre sie abbremsen würde. Damit würden die Satelliten an Höhe verlieren und dann irgendwo in der Atmosphäre verglühen. Zum Vergleich sieht man die Raumstation auf etwa 400 km Höhe über der Erdoberfläche. Die für das menschliche Auge aus der Raumstation heraus sichtbare Atmosphäre ist nur zehn Kilometer dick. Das ist der Schutzschild, unter dem wir leben. Sie ist wie eine Haut um den Erdkörper. Die spürbare Atmosphäre fängt bei 120 km an und erzeugt für Wiedereintrittsfahrzeuge bei einer Höhe von ca. 60 - 70 km die höchsten Belastungen u. a. hinsichtlich Temperatur und Druck. Das ist 5 Abbildung 5: Satellitenbahnen im niedrigen Erdorbit LEO (Leo Earth Orbit) Abbildung 6: Satelliten im Geostationären Erdorbit (GEO) 6 auch genau die Höhe, in der am 01. Februar 2003 das Unglück mit dem Space Shuttle Columbia passierte, das Shuttle auseinander brach und sieben Astronauten den Tod fanden. Aber unser Weltbild bzw. Ihr Weltbild, dessen Sie sich täglich fast unbewusst bedienen, ist schon wesentlich größer: Handys, GPS (Globales-Positionierungs-System), Satellitenfernsehen und mehr haben den Alltag längst erobert und wären in dieser heutigen Form ohne Satelliten auf Keplerbahnen nicht möglich. Die Fernsehsatelliten befinden sich auf der geostationären Bahn ca. 36.000 km über dem Äquator (Abb. 6), sind viele Tonnen schwer und haben eine Lebensdauer von ungefähr 15 Jahren. Sie bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von annähernd 11.000 km/h nahezu auf einer Kreisbahn und sind so schnell, wie die Erde sich in der gleichen Richtung dreht. Dadurch scheint es uns, dass sie fest am Himmel stehen, und die Hausantenne für das Satellitenfernsehen muss nicht ständig anders ausgerichtet werden. Warum wird man Student der Raumfahrt? Es ist nicht nur das Interesse für Hightech, sondern bei manchen hat es wie in Theodor Storms Märchen von 1849 Der kleine Hävelmann angefangen (Abb. 7). Durch das Vorlesen dieses Märchens entstand die erste Beziehung zum Mond. Und wenn man erwachsen wird, tauscht man das Kinderbett gegen ein Fahrzeug auf der Mondoberfläche aus (Abb. 8). Das Fahrzeug steht immer noch dort und wartet auf das nächste Kind, das als Erwachsener und als Astronaut wiederkommt. Als Randnotiz möchte ich hierzu folgendes erwähnen: Bei der letzten Ausschreibung für neue ESA Astronauten 2008/09 haben sich weit über 5.000 junge Menschen beworben und nur sechs wurden im Sommer 2009 ausgewählt. Abbildung 7: Der kleine Häwelmann (neues Bild von Regina Kreutzmann) 7 Abbildung 8: Apollo 17 im Dezember 1972 bei einer Fahrt im Taurus-Littrow-Tal (Quelle: NASA/JSC/GSFC) 4. Johannes Kepler in seiner Zeit Nun kommen wir zu dem Weltbild, welches seinerzeit Kepler vorfand und wie er dieses dann neu beschrieben hat. Das Wissen, das wir heute haben, macht es uns sehr schwer, uns gedanklich in die Welt zur Zeit von und vor Kepler zurückzuversetzen. Man muss sich einmal bewusst machen, dass damals noch viele Menschen dachten, die Welt sei eine Scheibe. Denn nicht alle waren restlos davon überzeugt, dass die Erde eine Kugel ist. Die Entdeckung Amerikas durch Kolumbus war noch nicht so lange her. Das Fernrohr wurde erst in dieser Keplerschen Zeit entdeckt. Man hatte also die gesamte beobachtende Astronomie im Wesentlichen mit dem blanken Auge gemacht. Erst als dann Galileo und Kepler die Fernrohre bzw. das Teleskopprinzip soweit entwickelt hatten, wurden mit dieser Sehhilfe die ersten Monde außer dem Erdmond entdeckt. Bei den Fixsternen war man der Meinung, dass die Sterne irgendwann einmal an das Himmelsfirmament gesteckt wurden und dort unverrückbar immer und ewig „fix“ stehen würden. Zu Zeiten Keplers ereignete sich eine Supernova; die zeigte, dass plötzlich an einer Stelle des Himmels eine Sternenexplosion stattfand, die man sogar am Tag mit bloßem Auge sehen konnte. Da diese Erscheinung nach Wochen wieder verschwand, stellte man fest, dass die Sache mit den Fixsternen gar nicht so fix ist, sondern es offensichtlich Bewegungen und Veränderungen besonderer Art am Himmelsfirmament gibt. 8 Kepler hatte den größten Teil seiner Geldeinnahmen mit Astrologie verdient. Heute würde die Fachwelt jemanden, der in der Astronomie nebenbei noch astrologische Gutachten erstellen würde, als nicht ganz seriös betrachten. Das war damals anders. Herrscher und militärische Führer, so auch Wallenstein, machten sich für astrologische Gutachten Wissenschaftler wie Kepler zu Nutze. Den größten Einfluss auf die naturwissenschaftliche Denkweise dieser Zeit hatten die Kirchen und Glaubenskriege. Aufgewachsen zwischen dem Augsburger Religionsfrieden (1555) und dem 30-jährigen Krieg (1618-1648) erlebte Kepler den „Wettstreit“ der verschiedenen Religionen um die wahre Religion. Insbesondere die katholische Kirche in Rom war es, die den Anspruch predigte, zu wissen was richtig und was falsch ist. Ihr Standpunkt war: Die Menschheit als Schöpfung, als die Schöpfung schlechthin, muss im Mittelpunkt von allem stehen. Bezogen auf unser Sonnensystem konnte das nur heißen: Es kann nicht anders sein, als dass die Erde im Mittelpunkt steht, unser Sonnensystem also ein geozentrisches System sein muss. Abbildung 9: Geozentrisches und Heliozentrisches Sonnensystem 9 Es gab auch einige wissenschaftliche Argumente, aus denen gefolgert werden könnte, dass dem so ist. Hierzu finden Sie als hilfreiche Erläuterungen die Abbildungen 9 und 10. Um dem wirklichen Verlauf der Planeten am Himmel Rechnung zu tragen, mussten im geozentrischen System die fünf Planeten Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn jeweils eine kleine Kreisbewegung machen, deren Kreismittelpunkt auf der Umlaufbahn um die Erde liegt. Anders hätte man sich Vor- und Rückwärtsbewegungen am Firmament nicht vorstellen können, die insbesondere beim Mars sehr ausgeprägt sind. Zeichnet man die relative Bewegung der fünf Planeten mit der Erde im Kreismittelpunkt auf, erhält man ästhetische und sehr harmonische Gebilde, die regelrecht darauf hinweisen, dass das geozentrische Weltbild ein vollkommen harmonisches Gebilde ist und gleichzeitig mit der Kirchenmeinung übereinstimmte. In diesem geozentrischen Weltbild gab es zwei grundsätzliche Fehler: Erstens, nicht die Erde sondern die Sonne steht im Mittelpunkt des Sonnensystems und zweitens, die Planeten bewegen sich auf Ellipsen und nicht auf Kreisbahnen. Abbildung 10: Vor- und Rückwärtsbewegungen der Planeten (neues Bild kommt noch) Der polnische Astronom Nikolaus Kopernikus (1473 – 1543) war der Erste, der das wissenschaftliche Weltbild revolutionierte, indem er das ptolemäische (geozentrische) durch sein kopernikanisches (heliozentrisches) System ersetzte. Leider konnte sich sein Vorschlag anfangs nicht durchsetzen, da insbesondere die Bewegungen des Planeten Mars von seinem Konzept stark abwichen. Er wusste damals noch nicht, dass der Mars im Vergleich zu den anderen Planeten eine relativ stark elliptische Bahn hat. Erschwerend kam hinzu, dass 1616 die katholische Kirche das Werk mit dem hypothetischen Konzept auf den Index der verbotenen Bücher gesetzt hatte. 10 Damit war der Idee von Kopernikus und Kepler – die Sonne im Mittelpunkt – von der katholischen Kirche offiziell der Kampf angesagt und als Irrlehre deklariert worden. Die wissenschaftliche Situation änderte sich drastisch durch die sehr genauen Beobachtungen von Tycho Brahe (1546 – 1601). Er war derjenige, der ohne Fernrohr die exaktesten und umfassendsten Messungen aller Himmelspositionen der Sterne und Planeten zur damaligen Zeit durchgeführt hat. 1600 holte der Hofastronom und Kaiserliche Mathematiker Tycho Brahe den Theoretiker und begnadeten Mathematiker Johannes Kepler nach Prag, der dann 20 Monate später die Nachfolge von Tycho Brahe bei Kaiser Rudolf II. antrat. Beseelt von der von Gott gegebenen Harmonie des Universums aber auch begeistert von der Vielfalt und überzeugt von der Richtigkeit der gemessenen Positionsdaten von Tycho Brahe, stellte Kepler durch beharrliches Rechnen und ständiges Überprüfen fest, dass das Problem bei Kopernikus die Lösung bei ihm war. Dieses war nun möglich, weil ihm wesentlich genauere Daten, insbesondere über die Bahnpositionen vom Mars, zur Verfügung standen. Die einzige Lösung waren Ellipsenbahnen für alle Planeten und die damit verbundenen verschiedenen Planetengeschwindigkeiten in Abhängigkeit von dem Abstand zum Brennpunkt der Ellipse, in dem die Sonne steht. Es bedurfte schon einer besonderen Fähigkeit, Intuition, gewissermaßen einer wissenschaftlichen Spürnase, nur die Beobachtungswerte aus der unüberschaubaren Flut von Daten herauszupicken, die den roten Faden für die mathematisch saubere Erklärung aller Planetenbewegungen einschließlich der modernen Satellitenbahnen bildeten. 5. Die Wissensexplosion über unser Sonnensystem Man nehme ein gutes Astronomiebuch, das etwa 1960 erschienen ist; also vor dem Beginn der Raumfahrt mit Satelliten und Sonden und deren Reisen zu anderen Planeten und Monden. Vergleicht man die darin befindlichen Tabellen über die Planeten und damals bekannten Monde in unserem Sonnensystem mit dem Inhalt eines modernen Astronomiebuches aus dem Jahre 2008, so stellt man fest, dass a) die Anzahl der Monde dramatisch um 140 zugenommen hat, b) die physikalischen Daten, das Bildmaterial und die Kapitellängen zu den einzelnen Planeten(-systemen) wesentlich genauer geworden sind und im Umfang stark zugenommen haben, c) Pluto aus der Planetengemeinde im Jahre 2006 ausgestoßen wurde und seitdem nur noch als Kleinplanet gehandelt wird und d) es mittlerweile auch Astronomiebücher zu anderen Sonnensystemen gibt. Begründet ist diese starke Wissenszunahme durch die vielen Satelliten und Raumsonden, die bislang die verschiedenen Himmelskörper – Kometen, Asteroiden, Monde und Planeten – besucht haben bzw. dahin noch unterwegs sind. Abbildung 11 ist der Versuch einer Zusammenstellung der verschiedenen Raumfahrtmissionen innerhalb unseres Sonnensystems. Die aufgeführten Missionsnamen stehen nicht nur für einen Satelliten, für eine Sonde, sondern für ein gesamtes Programm mit zum Teil mehreren Sonden. Daraus können Sie erahnen - was für mich als Universitätsprofessor wichtig ist - dass viele gut ausgebildete Ingenieure und Wissenschaftler gebraucht wurden und immer noch werden, die sich mit Raumfahrttechnik und Anwendung beschäftigen. Es ist eine ungeheuere ingenieurwissenschaftliche Leistung, z. B. eine Raumsonde auf Keplerbahnen am Jupiter vorbei bis zum Saturn mit einer Rei11 sezeit von fast sieben Jahren (Start 15.10.97 – Einschwenken in die Umlaufbahn 01.07.04) zu senden und dann noch mit einer Landekapsel (Huygens) auf dem Saturnmond Titan treffsicher zu landen (14.01.05). Randnotiz: Der Hitzeschutzschild für die Huygens-Titan-Mission wurde am Stuttgarter Institut für Raumfahrtsysteme qualifiziert. Abbildung 11: Raumfahrtmissionen in unserem Sonnensystem Exoplaneten in anderen Sonnensystemen Bis etwa 1990 findet man in den Astronomiebüchern die definitive Aussage: Die Wahrscheinlichkeit, dass ein anderer Planet außerhalb unseres Sonnensystems existiert, ist kleiner als ein Sechser im Lotto. Und das ist 1:13,5 Millionen. Diese scheinbar gesicherte Lehrmeinung hat sich 1995 von heute auf morgen geändert. Jetzt vermutet man, dass jeder dritte Stern, den man mit bloßem Auge am Himmel sehen kann, sein eigenes Planetensystem hat. Bislang sind über 300 neue Planeten entdeckt worden (etwa zwei Planeten pro Monat). Dieses neue Forschungsgebiet ist gerade mal 14 Jahre alt. So radikal hat sich das Wissen, man sollte sagen das Unwissen, das wir bislang hatten, geändert. Sicherlich liegt es auch an der Arroganz der Menschheit - wie schon zu Zeiten Keplers und Galileis – ein gesichertes und richtiges Wissens zu besitzen und möglichst daran festzuhalten. 12 Eines der ersten Bilder, das gleichsam ein heftiger Hinweis für die mögliche Existenz zumindest eines anderen Sonnensystems war, ist mit einer Infrarot-Aufnahme des Sterns Beta Pictoris gelungen. Mit einem pfiffigen Beobachtungsverfahren konnte man nachweisen, dass, bei Seitenansicht erkennbar, Beta Pictoris von einer ausgedehnten Staubscheibe umgeben ist, die bereits ein Planetensystem ist oder noch wird. Nur wenige Tage nach der Bekanntgabe der Entdeckung von den ersten Exoplaneten waren alle Tageszeitungen, Wochenblätter und Journale voll von spekulativen Berichten über Exoplaneten und Lebewesen auf anderen Planeten. Die Times brachte z. B eine Ausgabe heraus mit dem Titelblatt „Is anybody out there“? Für die Zuhörer, die im Anschluss an meinen Vortrag dieses Thema nochmals aufarbeiten wollen, findet sich im Nachfolgenden eine persönliche Literatur- und Film-Liste: • • • • • • • • • • • • • Lucian von Samosata: Die Luftreise (150 n. Chr.) Cyrano de Bergerac: Mondstaaten und Sonnenreiche (1656 und 1662) Jules Verne: Von der Erde zum Mond (1865) H.G. Wells: Krieg der Welten (1898 Buch, 2005 Film) Antoine de Saint-Exupery: Der Kleine Prinz (1943) Carl Herbert Scheer: Perry Rhodan (ab 1961 wöchentlich in Heftform) Salamander: Lurchi Band 2, S. 62-67 (1937 - 2009 Neuauflage ) Douglas Adams: Per Anhalter durch die Galaxis (1979) Steven Spielberg: E.T. – Der Außerirdische (1982 Film.) Gen Roddenberry: Star Trek (1966 Fernsehfilmserie) Stanley Kubrick: 2001: Odysee im Weltraum (1968 Film) Hans Gottschalk, Helmut Krapp: Raumpatrouille (1966 Fernsehserie) George Lukas: Krieg der Sterne (1978 Film) Ist es schwierig, einen Exoplaneten zu detektieren? Benötigt man große Teleskope und sehr komplizierte Instrumente? Wenn es nur irgendein Exoplanet sein soll, ist die Antwort in beiden Fällen: NEIN. Es reicht schon ein normales Amateurteleskop kombiniert mit einer handelsüblichen aber empfindlichen CCD-Kamera und gute Wetterbedingungen, um einen Exoplaneten eindeutig nachzuweisen. Abbildung 12 zeigt die Beobachtung des Exoplaneten HD 189733_b mit einem Amateurteleskop (Durchmesser 12,5“ ≈ 32 cm) unseres Institutes, das Herr Dr. Jürgen Wolf am 22.07.07 aufgenommen hat. Am 5. Oktober 1995 gaben Michael Mayor und Didier Queloz (Observatoire De Genève) während des 9. Workshops „Cool Stars, Stellar Systems and the Sun“ in Florenz bekannt, einen Planeten um den Stern 51 Pegasi mittels ELODIE-Spektrometer am 1,93 m-Spiegelteleskop des Observatoire de Haute-Provence entdeckt zu haben. Eine clevere Beobachtungsidee, ein eher kleines optisches Teleskop aber mit viel Beobachtungszeit für die Beiden, weil nicht viele Astronomen dieses kleine Teleskop nutzen wollten, und ein sehr gutes Beobachtungsprogramm, haben Beiden das Glück des Tüchtigen beschert. Mittlerweile gibt es eine ganze Reihe von verschiedenen Beobachtungstechniken. Der Einfachheit halber möchte ich nur zwei Methoden erläutern, da sie die Keplerschen Gesetze unbedingt benötigen. 13 Abbildung 12: Typische Transitbeobachtung – obere Lichtkurve mit einem 2,2 m Teleskop und Hightech CCD Kamera – untere Lichtkurve mit einem 32 cm Amateurteleskop und einer handelsüblichen CCD Kamera Die Transit- oder Bedeckungsmethode: Abbildung 12 zeigt das prinzipielle Verfahren. Der Stern ist sichtbar, weil er durch seine sehr hohe Temperatur im Optischen leuchtet. Nehmen wir an, ein Planet umkreist diesen Stern mit einer Umlaufzeit von wenigen Monaten oder Wochen. Seine Umlaufbahn liegt etwa in der Beobachtungsebene von der Erde aus. Und man beobachtet nun mit einer empfindlichen CCD-Kamera die Strahlungsintensität des Sterns. Jedes Mal wenn sich der kleine Planet vor den großen Stern schiebt, wird das Sternsignal im Verhältnis der beiden Durchmesser zum Quadrat – typischerweise 2% - verringert. 14 von Christian Doppler Abbildung 13: Nachweis von Exoplaneten mit der Dopplerverschiebung Doppler-Effekt-Methode: Abbildung 13 illustriert das Prinzip dieser Methode. Angenommen, der Planet ist relativ groß, dann bewegen sich der leuchtende Stern und der optisch nicht sichtbare Planet wie eine ungleiche Hantel um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Wegen des Doppler-Effektes wird der Stern ein etwas in der Frequenz verschobenes Signal abgeben, je nachdem ob er sich von uns weg oder auf uns zu bewegt. Sie kennen diesen Effekt von dem Aufunszu- oder Wegfahren eines Feuerwehr- oder Polizeiautos, dessen Ton jeweils höher oder niedriger wird. So ist das hier in der Frequenz bei der Signalvermessung. Diesen Effekt nennt man Blau- und Rotverschiebung. Auf diese Art und Weise konnte man bislang die meisten Planeten indirekt nachweisen. Mit Hilfe der Keplerschen Gesetze kann man nun mit beiden Methoden aus Umlaufzeit, Signalabschwächung und Bahnberechnung eine ganze Reihe von physikalischen Größen des Planeten ableiten. Damit ist seit 1996 eine neue astronomische Disziplin entstanden, die einen immer größeren Zulauf hat und bei allen Observatorien nach vorne drängt. 15 6. Kepler Satellit Johannes Kepler zu Ehren ist am 06. März 2009 mit einer Delta II Rakete ein ~1.000 kg schwerer Forschungssatellit gestartet worden. Im Rahmen der 10. Discovery Mission der NASA hat er die Missionsziele, erdgroße Exoplaneten mit einer habitablen Zone zu suchen und seine physikalischen Parameter zu bestimmen. Wir wissen seit gestern (26.04.09), dass die Instrumente eingeschaltet und getestet wurden und alles funktioniert. Er soll innerhalb von 3,5 Jahren, eventuell 6 Jahren, etwa 50 erdgroße Exoplaneten finden. Ob es wirklich gelingt, ist noch offen, aber zumindest war das die Intention bei der Konzeption des Satelliten und den entsprechend ausgewählten Instrumenten für dieses Programm mit Start im Kepler-Jubiläumsjahr. Bei Redaktionsschluss für dieses Buch war ……… muss entsprechend ergänzt werden. 7. Schwarze Löcher Wie sieht ein Schwarzes Loch aus? Es ist natürlich sehr schwierig, dazu eine passende Präsentationsfolie zu machen oder solch ein Objekt mit wenigen Sätzen zu erklären. Es ist halt eben schwarz. In der Regel kann man es optisch nicht sehen, da alles Licht, das auf das Schwarze Loch fällt, vollständig absorbiert wird und im Schwarzen Loch erzeugtes Licht dieses Objekt wegen der extrem starken Anziehungskraft nicht verlassen kann. Der Begriff „Schwarzes Loch“ wurde 1967 von J. A. Wheeler geschaffen und bezeichnet ein astronomisches Objekt mit sehr hoher Masse und Dichte, dessen Gravitationskraft so hoch ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit für dieses kompakte Objekt größer ist als die Lichtgeschwindigkeit mit 300.000 km/s. Im Vergleich dazu beträgt die Fluchtgeschwindigkeit zum Verlassen der Erde 11,2 km/s, für den Mond 2,4 km/s und für unsere Sonne 600 km/s. Um Ihnen eine Vorstellung von der ungeheuren Dichte zu geben, machen wir ein Gedankenexperiment mit unserer Sonne und der Erde. Wäre die Sonne ein Schwarzes Loch, müsste ihre gesamte Masse von 1,4 Millionen km Durchmesser auf ca. 6 km schrumpfen. Für die Erde würde das eine Schrumpfung von 12.750 km auf 18 mm Durchmesser bedeuten. Stellare schwarze Löcher sind der Endzustand eines massenreichen Sterns von vielen Sonnenmassen. Ist die am Ende der Entwicklung verbleibende Sternmasse kleiner als etwa 3 Sonnenmassen, wird das Ende dieser Sternentwicklung ein Neutronenstern sein. Ist die Masse noch kleiner als die Chandrasekhar-Grenze von 1,4 Sonnenmassen, endet der Stern als Weißer Zwerg. Wie bereits erwähnt, ist der direkte Nachweis eines Schwarzen Loches nach dem heutigen Wissensstand noch nicht möglich. Allerdings existieren einige indirekte Methoden. Es gibt hin und wieder die Möglichkeit, ein Schwarzes Loch zu „sehen“. Wenn beispielsweise ein fremder Stern dem Schwarzen Loch zu nahe kommt und vom dem Monster verschluckt wird, macht es ein kleines Bäuerchen, weil ein Stern kurz bevor er verschluckt wird, noch einmal richtig heiß oder sogar zerrissen wird, und dabei unter anderem charakteristische Röntgenstrahlung freisetzt. Für die cleverste Methode müssen wir allerdings auf Kepler zurückgreifen: Aufgrund der starken Anziehungskraft umkreisen viele Sterne das Schwarze Loch auf Keplerbahnen, ähnlich wie die Planeten unsere Sonne umkreisen. Auch wenn man das Schwarze Loch nicht sehen kann, sind die Gravitationskräfte vorhanden und zwingen 16 Abbildung 14: Sterne auf Keplerbahnen um das Zentrum unserer Milchstraße Sgr A*(neuer Text kommt noch) benachbarte Sterne, sich auf Keplerbahnen um das Gravitationszentrum im Brennpunkt der Ellipsenbahnen zu bewegen. Die Forschergruppe um Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching hat als Erste die Bahn des Sterns S2 um das Zentrum unserer Milchstraße Sagittarius A* über viele Jahre im infraroten Spektralbereich beobachtet. Da sich der Stern mit einer Geschwindigkeit von etwa 500 km/s auf seiner Bahn bewegt, konnte die Forschergruppe im Laufe von 15,2 Jahren einen vollen Umlauf beobachten. S2 ist nicht der einzige Stern, sondern insgesamt wurden die Bewegungen von mehr als 25 Sternen mit unterschiedlichen Keplerbahnen beobachtet. Der große Vorteil bei der Analyse des nicht sichtbaren Monsters ist, dass alle Sterne sich auf Keplerbahnen bewegen, die den gleichen gemeinsamen Brennpunkt haben. Wie Abbildung 14 schematisch zeigt, kann man mit Hilfe der Keplerschen Gesetze einige wichtige physikalische Größen des Schwarzen Lochs bestimmen. Es handelt sich bei Sagittarius A* um ein massives Schwarzes Loch mit einer Masse von etwa 4,5 Millionen Sonnenmassen und einer Größe von etwa 42 Lichtsekunden (~12,6 Millionen km). 8. Mondkolonialisierung Mein letzter Punkt in meinem Vortrag ist der Blick in die Zukunft; wo und wie Keplers Gedanken noch benötigt werden. In diesem Jahrhundert werden die Menschen den Mond besiedeln, seine Bodenschätze heben und verwerten und damit eine neue Kolonialisierung auslösen. Menschen werden dort geboren und werden die Erde als „Zentralgestirn“ umrunden, da der Mond auf einer Keplerbahn in etwa 384.000 km Entfernung die Erde umkreist. 17 Aus meiner Sicht wird es lohnend sein, die Ressourcen des Mondes für die gesamte Menschheit zu nutzen, zumal es dort „Materialien“ gibt, die auf bzw. in der Erde nicht vorkommen und auf dem Mond im Tagebau gewonnen werden können. Wer von Ihnen das Internet mit dem Stichwort „Mondkolonialisierung“ durchsucht, wird relativ schnell die Immobilienbranche finden, die bereits die ersten Mondgrundstücke verkauft. Allerdings haben die ausgehändigten Urkunden keine Rechtsgrundlage im internationalen Mondvertrag und sind somit nur eine clevere Geschäftsidee bzw. ein netter Scherz für die Urkundenbesitzer oder Beschenkten. Ich persönlich gehe heute davon aus, dass in den kommenden 50 Jahren der Mond für die Nutzung der Menschheit aufgeteilt wird. Möglicherweise wird es in ähnlicher Form geschehen, wie die Aufteilung der Antarktis vollzogen wurde. Wahrscheinlich werden dann die Nationen, die den Mond besucht haben, am Verhandlungstisch sitzen. Entsprechend hat die Universität Stuttgart sich vorgenommen, mit einem Kleinsatelliten ebenfalls die Mondoberfläche zu erreichen. Das Ingenieurmodell mit einer Originalgröße von etwa 1 m3 ist bereits in der Planung. 9. Die Erde im Universum Was wird die Zukunft mit Kepler sonst noch bringen? Wie im vorigen Kapitel zur Mondkolonialisierung erläutert, wird der Mensch in der Zukunft andere Sichten haben. Er wird die Erde und das Erde-Mond-System vom All aus sehen (Abbildung 15) und vielleicht nur noch hin und wieder zur Erde zu Besuch kommen. Damit wird sein mentaler und psychologischer Bezug zu Mutter Erde ein anderer werden. Abbildung 15: All-Sichten (neuer Text kommt noch) 18 Zur Zeit Keplers und Galileis standen der Mensch und die Erde im Mittelpunkt der Schöpfung der Welt. Heute wissen wir, dass es wahrscheinlich viele erdähnliche Planeten gibt. Ob es allerdings Lebewesen in uns bekannter menschlicher oder tierischer Form irgendwo im Universum gibt oder gab, wissen wir nicht. Die Suche danach ist sicherlich schwierig. Abbildung 16 zeigt, wie weit von Menschen gebaute künstliche Sonden (Pioneer 10 und 11, Voyager 1 und 2) mittlerweile schon auf Keplerbahnen gereist sind. Aber sie haben unser Sonnensystem noch nicht verlassen. Es ist eine erstaunliche ingenieurwissenschaftliche Leistung, dass Satelliten, die vor mehr als 20 Jahren gestartet sind, jetzt mit vollkommen unbekanntem Reiseziel immer noch funktionieren und Signale zur Erde senden. Obwohl die Laufzeiten der Signale z.B. bei Voyager 1 (Start 1977) über 15 Lichtstunden betragen, können wir ihre Positionen im weiten All relativ gut bestimmen. Deren Sicht auf unsere Planeten lässt in keiner Weise erkennen, dass nur der dritte Planet, genannt Erde, bewohnt ist und Leben in den verschiedensten Formen bietet. Mit diesem Bild kann man Kepler nur in soweit Recht geben, als er seinerzeit festgestellt hat, nicht die Erde und der Mensch ist der Mittelpunkt, sondern die Sonne ist der Mittelpunkt unserer Welt. Und heute wissen wir, dieses stimmt noch nicht einmal. Unser Sonnensystem mit den Planeten ist nicht ein einmaliges Ereignis in der Schöpfung, sondern es kommt bei jedem 3. oder 4. Stern vor. Abbildung 16: Voyager und Pioneer auf dem Weg zum Rand des Sonnensystemns (neuer Text kommt noch) 19 10. Schlusswort An dieser Stelle, meine Damen und Herren, möchte ich meine Reise mit Johannes Kepler in Zeit und Raum beenden. Ich hoffe, dass ich Ihnen aus meiner ganz persönlichen Sicht seinen Einfluss auf den modernen Menschen illustrativ und kurzweilig habe näher bringen können. Ich bedanke mich ganz herzlich für Ihr Kommen und Zuhören und wünsche dem Veranstalter für die kommenden Vorträge mindestens so viele Zuhörer, wie ich heute erleben durfte. Vielen Dank. Abbildungen Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3 Abb. 4 Abb. 5 Abb. 6 Abb. 7 Abb. 8 Abb. 9 Abb. 10 Abb. 11 Abb. 12 Abb. 13 Abb. 14 Abb. 15 Abb. 16 Die Keplerschen Gesetze aus 1609 und 1619 Sputnik mit Keplerbahnebene (neues Bild kommt noch) Weltweite Satellitenstarts im Zeitraum 1957 - 1980 Der Kleinsatellit DLR-TUBSAT Satellitenbahnen im niedrigen Erdorbit LEO (Leo Earth Orbit) Satelliten im Geostationären Erdorbit (GEO) Der kleine Hävelmann (neues Bild von Regina Kreutzmann) Apollo 17 im Dezember 1972 bei einer Fahrt im Taurus-Littrow-Tal (Quelle: NASA/JSC/GSFC) Geozentrisches und Heliozentrisches Sonnensystem (neues Bild in schwarz-weiß kommt noch) Vor- und Rückwärtsbewegungen der Planeten (neues Bild kommt noch) Raumfahrtmissionen in unserem Sonnensystem Typische Transitbeobachtung – obere Lichtkurve mit einem 2,2 m Teleskop und Hightech CCD Kamera – untere Lichtkurve mit einem 32 cm Amateurteleskop und einer handelsüblichen CCD Kamera (Exoplanet Wolf und Prinzip) Nachweis von Exoplaneten mit der Dopplerverschiebung Sterne auf Keplerbahnen um das Zentrum unserer Milchstraße Sgr A*(neuer Text kommt noch) All-Sicht (neuer Text kommt noch) Voyager und Pioneer auf dem Weg zum Rand des Sonnensystems (neuer Text kommt noch) 20
