PDF, 2 MB - Verlag Dr. Köster

Klaus-Peter Dahm
Evolution und Strukturbildung in der unbelebten Natur
Der Versuch zur Errichtung eines einheitlichen Gedankengebäudes der88
Naturwissenschaften
2014 / 17x24cm / 278 Seiten / 29,80 € / ISBN 978-3-89574-869-1
Verlag Dr. Köster, Berlin / www.verlag-koester.de
6. Kapitel
Neues Modell für die kosmische Strukturbildung
6.1 Gegensätzliche Modellvorstellungen
Im letzten Kapitel wurde gezeigt, dass der deduktive Weg zu einem weitgehend ähnlichen Ergebnis
wie der induktive Weg führt. Danach ist für die evolutionäre Strukturbildung in der unbelebten Natur
ein Auswurfmechanismus charakteristisch. Aus diesem Auswurfmechanismus ergibt sich als
allgemeine Schlussfolgerung, dass es in der Natur genetische Ketten von aufeinander folgenden
Mutter-Tochter-Strukturen geben müsse.
Für die kosmische Strukturbildung sollte folgende genetische Kette existieren:
 Sterne sind Tochterstrukturen der Galaxienkerne, d. h. die Sterne würden auf Materieauswürfe
der Galaxienkerne zurückgehen.
 Planeten sind Tochterstrukturen der Sterne; unser Planetensystem würde also z. B. auf einen
oder mehrere Materieauswürfe aus der frühen Sonne zurückzuführen sein.
 Monde sind Tochterstrukturen der Planeten; unser Erdmond wäre demnach durch einen
Materieauswurf aus der frühen Erde entstanden.
Diese Schlussfolgerungen stehen aber im Gegensatz zu den derzeit favorisierten Modellvorstellungen:
 Sterne bilden sich durch Kontraktion bzw. Kollaps und Akkretion aus Molekülwolken in
interstellarer Materie (wobei die interstellare Materie im Allgemeinen als primäre Bildung
nach dem Urknall angesehen wird).
 Planeten bilden sich zusammen mit dem Zentralstern „kalt“ durch unterschiedliche
akkretionäre Wachstumsprozesse in einer zirkumstellaren Gas-Staub-Scheibe (AkkretionsModell)
 Der Erdmond ist aus der jungen Erde durch einen großen Fremdkörper herausgeschlagen
worden. Die Monde der anderen Planeten sind ähnlich entstanden oder haben sich – wie die
Planeten – durch Akkretion aus Planetesimal in der zirkumstellaren Scheibe gebildet.
Während der Ort der Sternbildung unstrittig ist – Beobachtungen lassen keinen Zweifel mehr, dass die
Sternbildung in kühlen Molekülwolken stattfindet−, wird aber der eigentliche Prozess der
Sternbildung bis heute nicht verstanden. Eine konsistente Theorie der Galaxienbildung fehlt. Für das
Verständnis der Bildung von Planeten haben die zahlreichen Entdeckungen extrasolarer Planeten
bislang keinen Fortschritt gebracht. Im Gegenteil: Die alten Probleme sind weiter ungelöst und neue
Probleme sind hinzugekommen. Die bislang favorisierte Kollisionstheorie zur Entstehung des
Erdmondes ist mit neueren Erkenntnissen zur Zusammensetzung des Mondes kaum in Einklang zu
bringen. Außerdem ist es sehr unbefriedigend, wenn bei den großen Monden, z. B. dem Erdmond, ein
Herausschlagen aus dem Planeten diskutiert, bei den zahlreichen kleinen Monden aber ein direkter
Zusammenhang zur „allmählichen“ Planetenbildung gesehen wird.
Trotz dieser unübersehbaren Schwächen der aktuellen Bildungsmodelle, insbesondere der für Planeten
und Monde, werden Auswurfmodelle – wie hier vorgestellt – kaum ernsthaft diskutiert. Der Grund: Es
gibt scheinbar überzeugende Gegenargumente. Bei näherer Betrachtung erweisen sich diese
Gegenargumente allerdings als nicht stichhaltig. Die Gegenargumente lauten:
1) Die Fliehkräfte von Sternen oder Planeten sind zu gering, um Materie so weit auswerfen zu
können, dass sie in eine Umlaufbahn gelangt. Dies spräche z. B. gegen einen Auswurf des
Mondes aus der Erde.
2) Wenn Sterne und Planeten oder Planeten und Monde in direkter Mutter-Tochter-Beziehung
stehen würden, so sollten sie sich stofflich nicht unterscheiden. Dies ist aber bei der Sonne
und ihren Planeten nicht der Fall. So hat z. B. die Sonne einen viel geringeren Lithium-Gehalt
als die Erde. Auch Bor und Beryllium sind in der Sonne signifikant niedriger als in der Erde
konzentriert.
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3) Bei einem Auswurf durch Fliehkräfte sollte man erwarten, dass die Satellitensysteme, d. h. die
Tochterstrukturen, genau in der Äquatorebene der Zentralsysteme, der Mutterstrukturen,
liegen. Dies ist aber oft nicht der Fall. So bewegen sich der Mond schräg zur Äquatorebene
der Erde oder die Planeten schräg zur Äquatorebene der Sonne.
Zum ersten Gegenargument: Wenn die geringen Rotationsgeschwindigkeiten älterer kosmischer
Systeme, etwa unserer heute ca. 5 Milliarden Jahre alten Sonne, betrachtet werden, so sind deren
Fliehkräfte wirklich sehr gering. Man muss aber von den Fliehkräften junger Systeme ausgehen und
diese rotieren bis zu hundertmal schneller als alte Systeme. Rechnungen am Beispiel der jungen Sonne
zeigen, dass die entsprechenden Fliehkräfte und die daraus resultierenden Anpressdrücke des mobilen
Innenbereichs auf die Mantelfläche zumindest zeitweise ausreichend sind, um ein Aufreißen des
Mantels und damit einen Materieauswurf zu ermöglichen (siehe Abschn. 6.3). Auch die Erde hat sich
bei ihrer Entstehung vor rund 4,6 Ga weit schneller als heute gedreht.
Das zweite Gegenargument lässt sich noch einfacher entkräften: Die Planetenmaterie wird aus der
jungen Sonne ausgeworfen bevor die Kernprozesse einsetzen oder evtl. durch den Flash beim Zünden
von Kernprozessen. In jedem Fall besteht die Planetenmaterie aus ursprünglicher ProtosonnenMaterie, während sich die Sonne nach dem Auswurf der Planetenmaterie durch die anschließenden
Kernfusionsreaktionen chemisch deutlich verändert hat. In der Proton-Proton-Reaktion II fusionieren
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Li und 7Li mit 1H (Protonen) und werden so verbraucht. Das Lithiumbrennen kann auch selbständig
bereits ab einer Temperatur von 2,5∙106 K ablaufen. (Voraussetzung ist, dass der Stern wenigstens 75
Jupitermassen aufweist, was für unsere Sonne gegeben ist). Bor und Beryllium nehmen ebenfalls am
Fusionsprozess teil und verarmen deshalb ebenso wie Lithium. Die Verarmung von Li (sowie von B
und Be) ist ein verbreitetes Phänomen bei älteren Sternen. Dieses sogenannte kosmologische
Lithiumproblem lässt sich also relativ einfach durch die inzwischen gut verstandenen Fusionsprozesse
in Sternen erklären. Braune Zwerge, in denen Fusionsprozesse nicht gezündet werden können, und
junge Sterne weisen keine Lithiumverarmung auf.
Das dritte Gegenargument – die Neigung der Bahnen der Satellitensysteme zur Äquatorebene des
Zentralsystems – wird bei genauerer Betrachtung ebenfalls gegenstandslos, wie nachfolgend gezeigt
wird.
6.2 Sachlogische Ableitung des Auswurfmechanismus im Kosmos
Unter sachlogischer Ableitung wollen wir hier eine „Ableitung (Schlussfolgerung) mit dem gesunden
Menschenverstand“ verstehen.
Die Bahnen der Monde um die Gasplaneten, der Planeten um die Sonne sowie der Sterne um das
Zentrum (bzw. die galaktische Ebene) der Milchstraße zeigen erstaunliche Übereinstimmungen:
 Satellitenstrukturen in weiterer Entfernung vom Zentralsystem laufen generell auf stark
exzentrischen Bahnen – Bahnen mit ausgeprägter Ellipsenform –, wobei diese Bahnen auch eine
stärkere Neigung zur Äquatorebene des Zentralsystems aufweisen. Derartige schräge und stark
elliptische Bahnen zeigen die äußeren Monde der Gasplaneten des Sonnensystems sowie die im
Halo laufenden Sterne der Milchstraße. Auch Pluto und die anderen Kleinplaneten am äußersten
Rand des Sonnensystems, sind durch derartige Bahnen gekennzeichnet (vgl. Tab. 6.1).
 Demgegenüber weisen die Bahnen der Satellitensysteme, welche sich in der Nähe des
Zentralsystems befinden, nur eine geringe Exzentrizität auf, z. T. sind sie kreisförmig oder nahezu
kreisförmig. Sie liegen entweder direkt in der Äquatorebne des Zentralsystems oder weichen nur
wenig davon ab. Dies trifft auf alle inneren Monde der Gasplaneten, aber auch auf die Sterne der
Population I, die sich bevorzugt in der Nähe des galaktischen Zentrums bzw. der zentralen Ebene
der Milchstraße befinden, zu. Die Planeten des Sonnensystems verfolgen ebenfalls derartige
Bahnen (Tab. 6.1).
 Die Korrelation von Exzentrizität und Neigung der Bahnen der Satellitensysteme zur Entfernung
vom Zentralsystem kann zumindest bei den Sternen der Milchstraße auch auf die Metallhäufigkeit
und damit das Alter erweitert werden: Je näher die Sternpopulation am Zentrum bzw. der
zentralen Ebene liegt, um so metallreicher und jünger ist sie bzw. umgekehrt: Je größer die
Entfernung vom Zentrum bzw. der galaktische Ebene ist, umso niedriger ist der Metallanteil und
um so höher ist das Alter der Sternpopulation.
Außen (Halo)
- Population II-
niedrig (jung)
≤ 5-10 Ga
sehr schnell
>100 km/s
hoch
hoch (alt)
≥ 10 Ga
langsam
< 20 km/s
niedrig
wenige
0-2
langsam
viele
14 - 67
schnell
< 0,1
klein
~6°
< 0,1
klein
~6°
Abnahme
klein
klein**)
weiter außen
-Gasplaneten-
3 (Pluto)
langsam
niedrig
0,25
groß
~24°
sehr weit außen
-Pluto u. a.
Kleinplanetengroß
Planeten und Kleinplaneten des Sonnensystems
innen
-terrestr. Planeten-
Abnahme***)
> 0,1
groß
> 5°, meist 20° - 30°
groß
außen
Monde der Gasplaneten
< 0,1
klein bzw. nicht
vorhanden
< 1,5°; oft 0°
klein
innen
Ga – Milliarden Jahre
Auch innerhalb der Scheibe ist bei den Population-I-Sternen nochmals eine Differenzierung zu beobachten: Von innen (thin disk) nach außen (thick disk) nehmen das Alter zu −
von 5-6 Ga auf ca. 10 Ga − und der Metallgehalt ab. Bahnneigung und Bahnexzentrizität nehmen von innen nach außen zu.
** ) Ausnahme Merkur mit der relativ hohen Exzentrizität von 0,2056
***) bezogen auf die Galiläischen Monde des Jupiter
*)
Zahl der Monde
(Stand 2013/2014)
Rotationsgeschwindigkeit
Alter
Dichte
Metallgehalt
klein
groß
(schwach ellipsenförm.) (stark ellipsenförmig)
< 0,1
> 0,1; meist > 0,5
Bahnneigung zur Äquatorebene
klein bzw. nicht
groß bzw. regellos
des Muttersystems
vorhanden
verteilt
Exzentrizität der Bahnen
Innen (Scheibe)*)
-Population I-
Sterne der Milchstraße
Tab. 6.1 Vergleich der Bahnparameter u. a. Merkmale von Sternen der Milchstraße, Planeten des Sonnensystems und Monden der Gasplaneten
(nach Angaben von Zimmermann u. Weigert 1999, Unsöld u. Baschek 2002, Herrmann 2005 sowie Scholz 2014)
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Wenn diese gesicherte Korrelation zwischen Alter und Bahnparametern (bzw. Entfernung) der Sterne
der Milchstraße eine grundsätzliche Tendenz aller Systeme wiederspiegelt, wie die sonstigen
Analogien wahrscheinlich machen, so sollte sich aus dem Rotationsverhalten des Zentralsystems der
Auswurfmechanismus kosmischer Systeme rekonstruieren lassen.
Das Rotationsverhalten von Planeten, Sternen und Galaxien ist relativ gut bekannt. Theoretisch ist
zu erwarten, dass bei der Bildung der jungen Zentralsysteme (Protogalaxienkerne, Protosterne,
Protoplaneten) durch Kontraktion und Kondensation die Rotation des Systems wegen der Erhaltung
des Drehimpulses bis zu einem Maximum ansteigt und die weitere Entwicklung der neu entstandenen
Struktur durch Abnahme der Rotation gekennzeichnet ist. Letzteres ist bei Sternen und Galaxien auch
entsprechend nachweisbar. So haben junge O-B-Sterne durchschnittliche Rotationsgeschwindigkeiten
von 100-200 km/s, z. T. auch bis  500 km/s. Alte G-K- oder M-Sterne weisen dagegen nur
Rotationsgeschwindigkeiten von  20 km/s, meist < 10 km/s auf. Die Sonne rotiert nur noch mit
2 km/s.
Auch die einzelnen Galaxientypen zeigen unterschiedliches Rotationsverhalten: Bei den frühen
elliptischen Galaxien steigt die Geschwindigkeit in dem Maße von E0 (ca. 50 km/s) bis E7 (100150 km/s) an, wie die Abplattung zunimmt. Offenbar zeigen die elliptischen Galaxien der Typen EO
bis E7 die Entwicklungsstufen eines galaktischen Muttersystems durch Kontraktion und Kondensation
vor Beginn des Auswurfs von Sternmaterie an (?). Die frühen Spiralgalaxien vom Typ Sa bzw. Sab
besitzen mit 200-250 km/s maximale Rotationsgeschwindigkeiten, während danach die Rotation über
die Sb- zu den Sc-Typen stark nachlässt und die irregulären Galaxien nur noch mit maximal 50 km/s
rotieren (Abb. 6.1).
Abb. 6.1 Maximale Rotationsgeschwindigkeit verschiedener Galaxientypen
(aus Herrmann 2005)
SO - „linsenförmige“ (elliptische) Galaxien
Sa, Sab, Sb, Sbc, Sc - normale Spiralen bzw. Balkenspiralgalaxien unterschiedlicher Typen
Irr - irreguläre Galaxien
Zusammenfassend lassen sich folgende Gemeinsamkeiten für die unterschiedlichen Zentralsysteme
und Satellitensysteme feststellen. Vergleiche dazu auch Tabelle 6.1:
1. Nach der anfänglichen Kontraktionsphase nimmt die Rotation der Zentralsysteme mit
wachsendem Alter ab. (Beobachtet an Einzelsternen und Galaxien).
2. Satellitensysteme laufen im Allgemeinen direkt in der Äquatorebene des Zentralsystems oder
leicht schräg dazu. (Beobachtet an den Sternen der Milchstraße, bezogen auf das galaktische
Zentrum bzw. die galaktische Scheibe; weiterhin auch an den Planeten des Sonnensystems
und den Monden der Planeten beobachtet).
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3. Ältere metallärmere Satellitensysteme befinden sich meist in weiterer Entfernung vom
Zentralsystem – "außen" – als jüngere metallreichere Satellitensysteme, welche im
Allgemeinen "innen" laufen. (Beobachtet an Sternen der Milchstraße).
4. Satellitensysteme in weiterer Entfernung vom Zentralsystem laufen auf stark exzentrischen
Bahnen mit größerer Neigung zur Äquatorebene des Zentralsystems, während Satellitensysteme in der Nähe des Zentralsystems auf schwach elliptischen, d. h. annähernd
kreisförmigen Bahnen in der Äquatorebene des Zentralsystems oder nur mit geringer
Abweichung dazu laufen. (Beobachtet an Monden der Gasplaneten, Sternen der Milchstraße
und z. T. auch Planeten des Sonnensystems).
5. Schnell rotierende Zentralsysteme haben mehr Satelliten als langsam rotierende
Zentralsysteme. (Beobachtet an Planeten des Sonnensystems).
Diese Beobachtungen und ihre Verallgemeinerungen im Sinne von generellen Beziehungen der
Satellitensysteme (Tochtersysteme: Sterne, Planeten, Monde) zu ihren Zentralsystemen
(Muttersysteme: Galaxienkern, Sonne, Gasplaneten) lassen sich widerspruchsfrei durch ein
Auswurfmodell, angetrieben durch die Fliehkraft des Muttersystems, erklären (Abb. 6.2):
Abb. 6.2 Auswurfmodell rotierender kosmischer Systeme: Galaxienkerne, Sterne, z. T. Planeten.
Von 1-3 verstärken sich die Rotation und damit die Abplattung des jungen Systems auf Grund der zunehmenden
Kontraktion. Bei 3 (maximale Rotation und damit maximale Fliehkraft) wird Materie sehr weit in den Raum
geworfen, wobei eine stark exzentrische Bahn des Auswurfmaterials entsteht. Der Auswurf erfolgt schräg zur
Äquatorebene, da der Mantel am Äquator eine Wulst aufweist und schräg zur Äquatorebene TangentialSpannungen im Mantel auftreten, die einen Auswurf erleichtern.
Mit abnehmender Rotation und deshalb auch abnehmender Abplattung (Position 4 und 5) können die Auswürfe
nunmehr nahe oder direkt in der Äquatorebene, wegen der geringeren Fliehkraft jedoch nicht mehr soweit
erfolgen (Position 5). Die Bahnen des ausgeworfenen Materials sind nahezu kreisförmig.
Für Galaxienkerne und massereiche Sterne gilt, dass der Metallgehalt auf Grund der voranschreitenden
Kernfusionsprozesse im Innern zunimmt. Dies spiegelt sich in der ausgeworfenen Materie wider. Jüngere
(spätere) Auswürfe sind also metallreicher als ältere (frühere) Auswürfe.
Der durch die hohen fusionsbedingten Temperaturen im Innern entstehende Überdruck wird in Form von GasJets abgebaut. Diese entweichen periodisch in der Rotationsachse, da hier der Mantel am schwächsten ist
(Positionen 2-5).
Bei Planeten fehlen sowohl Gas-Jets als auch eine primäre Metallanreicherung, da keine Kernfusion auftritt.
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Die anfänglich sehr schnelle Rotation des jungen Muttersystems nach Abschluss der Kontraktionsphase führt auf Grund der starken Zentrifugalkräfte zu sehr weiten Auswürfen von Materie in den
Raum (Position 3 der Abbildung 6.2). Die entstehenden älteren Tochterstrukturen weisen deshalb
Bahnen von hoher Exzentrizität in weiterer Entfernung vom Muttersystem auf.
Durch die Auswürfe wird Drehimpuls abgegeben und die Rotation des Muttersystems geht zurück.
Die nachfolgenden Auswürfe verlieren deshalb an Kraft, und sie erfolgen nicht mehr soweit (Position
5 der Abb. 6.2). Junge Tochterstrukturen umkreisen deshalb das Muttersystem relativ nahe auf Bahnen
von geringerer Exzentrizität.
Für die Erklärung der unterschiedlichen Neigung der Bahnen der Tochtersysteme muss eine
zusätzliche, aber logische und sehr einfache Überlegung angestellt werden: Junge, schnell rotierende
Muttersysteme sind stärker abgeplattet und weisen deshalb eine starke Äquatorwulst ihres Mantels auf
(Position 2 und 3 Abb. 6.2). Deshalb kann der Auswurf bei jungen Muttersystemen noch nicht direkt
in der Äquatorebene, sondern erst schräg dazu erfolgen, weil dort ein Durchbruch des Mantels am
leichtesten möglich ist, zumal hier zusätzlich Tangentialspannungen auftreten (Position 3). Zum
Problem der Tangentialspannungen siehe den folgenden Abschnitt 6.3. Später geht mit Verringerung
der Rotation des Muttersystems auch die Abplattung und damit die Äquatorwulst zurück (Position 4
und 5). Die Auswürfe der Tochtersysteme erfolgen dann in oder nahe der Äquatorebene (Position 5
Abb. 6.2).
Aus den meist bipolaren Auswürfen von heißer Materie in der Äquatorebene oder schräg dazu
werden sich vorerst Spiralarme, Scheiben (Gas-Staub-Scheiben) oder Ringe bilden, aus denen sich
dann später Sterne, Planeten oder Monde formieren.
Diese sachlogischen Überlegungen zum Auswurfmodell, ausgehend von signifikanten Phänomenen,
sollen durch nachfolgende physikalische Betrachtungen und überschlägige Berechnungen untersetzt
werden.
6.3 Berechnungen zum Auswurfmechanismus*)
Spannungszustände im Muttersystem bei Innendruck
Das kosmische Zentralsystem bzw. Muttersystem (Galaxienkern, Protostern, Planet) kann modellhaft
als dickwandige Hohlkugel unter Innendruck betrachtet werden. Dabei besteht der Mantel aus SilikatKondensat, das plastisch verformbar ist (vgl. Kap. 5).
Aus dem Maschinenbau, speziell der Behältertechnik, sind die Spannungszustände an sogen.
biegeschlaffen, d. h. plastisch verformbaren Hohlkugeln hinreichend bekannt. (Siehe z. B. Dubbel –
Taschenbuch für den Maschinenbau, Grote und Feldhusen 2007).
Gewölbte Hohlkörper weisen bei Innendruck einen dreiachsigen Spannungszustand im Mantel auf. Ist
das Materialverhalten eher plastisch, tritt bei örtlicher Belastung Fließen bis zur Außenwand auf. Die
Spannungen lassen sich je nach Materialverhalten für dick- und dünnwandige Kugeln darstellen und
näherungsweise berechnen. Bei Erreichen der Fließgrenze von plastischen Materialien kommt es zum
Aufreißen des Mantels (Abb. 6.3).
---------------------------*)
Die im Abschnitt 6.3. zusammengefassten Ergebnisse beruhen im Wesentlichen auf Berechnungen von
Dipl.-Ing. Hans-Peter Dahm, 2003.
Klaus-Peter Dahm
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