Wir im Weltall oder Warum es uns gibt Astronomische Vereinigung Rottweil Zimmern o.R., 10.10.2015 Herbert Haupt AVR / IAS Warum es uns gibt? Es gibt uns, weil die Umstände dafür günstig waren! (Schwaches Anthropisches Prinzip) Damit ist eigentlich Alles klar! Damit ist eigentlich Alles klar! Aber wir könnten uns fragen, was einige dieser günstigen Umstände waren und sind?! Inhalt 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Das Weltall Feinabstimmung der Naturkonstanten Materie im Weltall Wir in unserer Galaxie Wir im Sonnensystem Unser Planet Erde Das Starke Anthropische Prinzip Zusammenfassung Literatur Das Weltall Voraussetzungen für unser Dasein: • Das Weltall existiert überhaupt, seit Beginn im Urknall! V. Springel • Die physikalischen Gesetze ließen / lassen seine Entwicklung für Leben auf der Erde zu. • Nach dem Urknall wurden Quantenfluktuationen in der Materiedichte auf astronomische Skalen vergrößert, damit daraus Galaxien, Sterne und Planeten entstehen konnten Inflation (?) • Die Materiedichte musste lokal hinreichend groß sein, so dass ihre Gravitation gegen die Ausdehnung des Alls Strukturen zusammenziehen konnte: Dunkle Materie! (ca. 6x soviel wie baryonische) Das Weltall ... und noch etwas Eigentlich dürfte es uns gar nicht geben!? Die Welt ist fast durchgehend symmetrisch: Unmittelbar nach dem Urknall gab es eine Suppe aus Teilchen/Antiteilchen und hochenergetischen Photonen, die sich ständig ineinander umwandelten. Nach Abkühlung konnten keine neuen Teilchen mehr generiert werden; die vorhandenen hätten sich vollständig gegenseitig vernichten müssen. Übrig geblieben wären nur Photonen!! Aber: je Milliarde Paarvernichtungen blieb ein Teilchen übrig!! Und daraus bestehen wir! A. Sacharow: „Eine Verletzung der CP-Symmetrie der Schwachen Wechselwirkung könnte für die Teilchen/Antiteilchen-Asymmetrie verantwortlich sein.“ Feinabstimmung der Naturkonstanten Und damit das Alles sich zu lebensfreundlichen Bedingungen entwickeln konnte - mussten die Naturkonstanten die richtigen Werte haben - und sie mussten genau aufeinander abgestimmt sein Einige wichtige Naturkonstanten Elektrische Elementarladung: Ruhemasse des Elektrons: Ruhemasse des Protons: Lichtgeschwindigkeit (Vakuum): Planck’sches Wirkungsquantum: Elektrische Feldkonstante: FK der starken Wechselwirkung: Gravitationskonstante: e = 1,60217733·10−19 C me = 9,1093897·10−31 kg mp = 1,6726231·10−27 kg c = 299792458 m/s h = 6,6260755·10−3Js εo = 8,854187817·10−12 F/m α = 0,08 ... 14 (energieabhängig) G = 6,67259·10−11 Nm2/kg2 Beispiel: das Atom Für den Aufbau und die Funktion eines Atoms sind die Werte aller obigen Naturkonstanten (außer Gravitationskonstante) entscheidend! nucleus Feinabstimmung der Naturkonstanten P. Hägele, Ulm ”Was wäre, wenn ...?“ Bereits geringfügige Veränderungen an den Werten der bekannten Naturkonstanten würden fast immer zu einer völlig anderen Geschichte des Kosmos führen und dabei könnte kein biologisches Leben entstehen. • Dies zeigt sich u.a. bei der Feinstrukturkonstante des Elektromagnetismus und der Konstanten der Starken Wechselwirkung. • Auch die Dimensionszahl von Raum und Zeit ist offenbar auf Leben hin abgestimmt. • Besonders eindrucksvoll ist die präzise abgestimmte Kernchemie der Kohlenstoffentstehung. Feinabstimmung von starker und elektromagnetischer Wechselwirkung „Wir“ liegen auf einer kleinen Insel zwischen Gebieten, die kein Leben zulassen würden (ergibt sich aus kernphysikalischen Abschätzungen). Eine - noch nicht gesicherte vereinheitlichte Theorie aller WWn ergäbe noch viel engere Grenzen (senkrechte Striche) Feinabstimmung der elektromagn. WW zum Massenverhältnis Elektron/Proton Auch hier gibt es große Bereiche von α und β, die kein Leben ermöglichen: Größere Werte von β, d.h. größere Elektronenmassen, würden größere Fluktuationen der Kerne bewirken und so die Stabilität geordneter molekularer Strukturen verhindern! Kohlenstofferzeugung: Drei-Alpha-Prozess Entdecker: Edwin Salpeter Theoretische Vorhersage eines spezifischen Energieniveaus des C-Kerns durch Fred Hoyle 8Be-Kern instabil: HWZ=2,6∙10-16 s 3α-Prozess erforderlich, geringe Wahrscheinlichkeit, braucht viel Zeit keine C-Erzeugung in den drei Minuten nach dem Urknall Aber zwei Resonanzen: 8Be-Grundzustand Energie von 4He + 4He ↔ 8Be + γ – 91,8 keV 4He fast identisch und von zwei 8Be + 4He → 12C + γ + 7,37 MeV - 8Be und 4He ebenso mit einem ... und weiter: 12C (Hoyle) Anregungszustand von 12C + 4He → 16O + γ viel höhere Reaktionsrate zu 12C Kohlenstoff - Sauerstoff - Erzeugung 12C + 4He → 16O + γ Fast noch merkwürdiger: dass der Kohlenstoff 12C nicht sofort nach demselben Schema weiter zu Sauerstoff 16O reagiert und dann nicht mehr vorhanden wäre!?! Tatsächlich hat 16O ein „resonanzverdächtiges“ Energieniveau. Dieses ist aber für eine ergiebige Reaktion um 1% zu niedrig. Die Differenz ist nicht ausgleichbar durch kinetische Energie, da diese immer positiv ist! Fred Hoyle, vom Erfolg seiner anthropischen Voraussage selbst beeindruckt: „Nothing has shaken my atheism as much as this discovery!“ Kohlenstoff- und Sauerstoff-Erzeugung: Energieniveaus der C- und O-Kerne 12C: angeregtes Niveau (*) liegt über 4He + 8Be Ausgleich durch Ekin: möglich 16O: angeregtes Niveau (*) liegt unter 4He + 12C nicht möglich Maßarbeit im Universum Heinz Oberhummer Wien Tripel-Alpha-Prozess in Roten Riesen: Bereits Variationen von etwa 0,5 % der Stärke und Reichweite der Kernkraft führen zu 30- bis 1000-facher Erniedrigung der Häufigkeit von Kohlenstoff oder Sauerstoff!! Leben auf Kohlenstoffbasis wäre extrem unwahrscheinlich: nur Kohlenstoff hat die Fähigkeit zur Bildung der komplexen, sich selbst organisierenden Moleküle für Leben. Auch Sauerstoff und damit des für Leben unabdingbaren Wassers H2O wäre um das 100- bis 1000-Fache kleiner. Und Kohlendioxid CO2 ist notwendig als Thermostat für lebensfreundliche Planeten. Ohne CO2 würde die Temperatur eines Planeten so außer Kontrolle geraten, dass Wasser kaum noch in flüssiger Form - als Voraussetzung für kohlenstoffbasiertes Leben existieren könnte. Entwicklung des Weltalls vom Urknall bis heute real E>G homogen Verhältnis von Expansions- zu Gravitationskraft 1. Reale Entwicklung mit Strukturbildung gegen die Raumausdehnung 2. Expansionskraft zu groß homogene Verteilung E>G inhomogen 3. Wie 2.: auch anfängliche Inhomogenitäten ergeben keine Strukturen G>E 4. Gravitationskraft zu groß rascher Rekollaps bevor Sternbildung Abstimmung der Dimensionen von Raum und Zeit • Weniger als 3 Raumdimensionen würden kein komplexes Leben zulassen! Z.B. wären Überkreuzungen von Blutbahnen, Nerven, ... nicht möglich. • Mehr als 3 Raumdimensionen ließen – sofern dort die gleichen Naturgesetze gelten – keine stabilen Planetenbahnen und keine stabilen Elektronenbahnen um Atomkerne zu (klassisch und quantenmechanisch). • Andere Zeitdimensionen sind unserem Vorstellungsvermögen nicht zugänglich. Es zeigt sich zudem, dass die Differentialgleichungen (Naturgesetze) in Zeitdimensionen ungleich 1 von einem Typ sind, der Voraussagen praktisch nicht ermöglicht: mehr als eine Zeitdimension würde die Kausalität zerstören. Feinabstimmung der Naturkonstanten P. Hägele, Ulm Der Physiker Freeman Dyson formulierte: ”Wenn wir ins Universum hinausblicken und erkennen, wie viele Zufälle in Physik und Astronomie zu unserem Wohle zusammengearbeitet haben, dann scheint es fast, als habe das Universum in einem gewissen Sinne gewusst, dass wir kommen.“ Materie im Weltall Nach 3 Minuten gab es nur 75% H und 25% He, und Spuren von Li, ... Wir aber bestehen aus: • C Kohlenstoff, dem Grundbaustoff für organische Moleküle • O Sauerstoff, Träger des Energiehaushalts • H Wasserstoff, mit O als Wasser das Lösungsmittel, in dem sich die Lebensvorgänge abspielen • Ca Calcium für unser Knochengerüst • N, P, S, K, Cl, Na, + fast allen übrigen Elementen, zumindest in Spuren Materie im Weltall ... und die Erde , auf der wir leben, besteht aus: - Fe und Ni im Kern - O, Si, Mg, S, Ca, Al, H, C... im Mantel und den Gesteinen - H, O, Na, Cl, ... im Meer - N, O, ... in der Atmosphäre Woher kamen die schwereren Elemente? Sie alle (außer H, He) mussten erst in Generationen von Sternen in ausreichender Menge „erbrütet“ werden: • die Hauptsubstanzen C und O während des He-Brennens in der Spätphase der Sterne • weitere, nicht zu schwere Elemente während der anschließenden AGB-Phase durch Neutronen-Einfang und β-Zerfall (slow-Prozess) • vor Allem die schwersten Elemente durch den rapidProzess in Supernova-Explosionen Das dauerte Milliarden von Jahren! Wir in unserer Galaxie • Störungen durch Nachbargalaxien sind gering die Sonne zieht seit langem gleichmäßig ihre Bahn ums Zentrum • Die Milchstraße ist recht ruhig: - Sie hat keinen aktiven Kern, das zentrale Schwarze Loch hat „nur“ 4 Mio Sonnenmassen - Mit 26.000 Lichtjahren sind wir weit genug weg von seiner lebensfeindlichen Strahlung • Die MSt ist eine Spirale (nicht klein / irregulär / elliptisch) • Wir sind in einem dünnen Nebenarm (Orion) der MSt und in einer lokalen Blase mit geringer Dichte keine Turbulenzen, keine massereichen jungen Sterne mit extremer Strahlung und Sternexplosionen Wir in unserer Galaxie Die galaktische habitable Zone Die GHZ in der Scheibe der Galaxie basiert auf: - der Sternentstehungsrate - der Metallizität (blau) - genügend Zeit für die Evolution (grau) - keine nahen lebensbedrohenden SupernovaExplosionen (rot) Die weißen Linien enthalten innen: 65%, außen: 95% der Sterne mit Potential für höheres Leben Grüne Linie rechts: Altersverteilung für höheres Leben Ch. Lineweaver et al 2004 Wir in unserer lokalen galaktischen Umgebung Was wäre der Anblick des Nachthimmels schön, wenn wir mehr nahe Sterne um uns herum hätten? Aber Vorsicht! Nahe Sterne würden das dynamische Gleichgewicht im Sonnensystem stören: - die Bahn der Erde würde elliptisch und sie könnte näher an die Sonne oder weiter von ihr weg gebracht werden - Kometen und Asteroiden würden in großer Zahl nach innen abgelenkt und die Erde bombardieren Wir im Sonnensystem (1) Die Sonne: • Masse ~ 0,8...1,0 Ms Lebensdauer ≥ 10 Mrd. Jahre Spektrum: Max bei 500...600 nm • Sie hat die richtige Metallizität OF-Temperatur, Konvektion, ebenso ihre Planeten • in der Wasserstoff-Fusionsphase: keine Pulsationen, keine Röntgenflares • nicht zu viel UV und Sonnenwind Wir im Sonnensystem (2) Die Erde im Sonnensystem: • in habitabler Zone: TOF ~ 0...100°C (10...30°C) Dabei hilft der CO2-Treibhaus-Effekt: er hebt die mittlere Temperatur der Erdoberfläche von -19°C auf +14°C an • Solarer Energiefluss: Abstand Erde-Sonne so verändern, dass S höchstens um Faktor 2 variiert (S ~ r -2) Habitable Regionen (hellgrau), arktische Regionen (weiß) und Wüstenregionen (dunkelgrau) bei verschiedenen Abständen von der Sonne (Ulmschneider 2006) Solare HZ (Abschätzung, falls „Erdatmosphäre“): 0,7 ... 1,4 AU Umlaufbahnen: Venus (0,72 AU) Mars (1,52 AU) Wir im Sonnensystem (2) Die Erde im Sonnensystem: • in habitabler Zone: TOF ~ 0...100°C (10...30°C) Dabei hilft der Treibhaus-Effekt: er hebt die mittlere Temperatur der Erdoberfläche von -19°C auf +14°C an • stabile Planetenbahnen geringer Exzentizität: sonst zu große T-Schwankungen und gar Bahnwechsel • Der verstoßene 5. Großplanet? Computersimulation von David Nesvorny 2011 5. Planet? Anfangsbedingungen mit 5 (statt 4) Großplaneten führten eher zur heutigen Konfiguration. Der 5. wäre etwa zwischen den heutigen Bahnen von Saturn und Uranus gewesen. Die SchwerkraftWechselwirkung mit Jupiter und Saturn (in 2:3- oder 1:2-Resonanz) sollte ihn erst auf eine stark elliptische Bahn gebracht und dann ganz hinaus katapultiert haben!?! Und: Neptun und Uranus haben evtl. die Plätze getauscht! Sonst wäre wohl die Erde nicht auf der heutigen Bahn und wir nicht da! Wir im Sonnensystem (2) Die Erde im Sonnensystem: • in habitabler Zone: TOF ~ 0...100°C (10...30°C) Dabei hilft der Treibhaus-Effekt: er hebt die mittlere Temperatur der Erdoberfläche von -19°C auf +14°C an • stabile Planetenbahnen geringer Exzentizität: sonst zu große T-Schwankungen und gar Bahnwechsel • keine gebundene Rotation: sonst T-Unterschiede, Stürme • massereicher Jupiter fängt die meisten Asteroiden und Kometen ab: kein tödliches Bombardement • Jupiter als Kometenfänger Komet Shoemaker-Levy 9: 1960: Einfang auf Ellipsenbahn 1992: zerbricht durch Jupiters Gezeitenkräfte in 21 Teile 1994 (16.-21.7.): Einschläge in Jupiter mit 60 km/s ≈ 50 Mio Hiroshima-Bomben Wir im Sonnensystem (2) Die Erde im Sonnensystem: • in habitabler Zone: TOF ~ 0...100°C (10...30°C) • stabile Planetenbahnen geringer Exzentizität: sonst zu große T-Schwankungen und gar Bahnwechsel • keine gebundene Rotation: sonst T-Unterschiede, Stürme • massereicher Jupiter fängt die meisten Asteroiden und Kometen ab: sonst tödliches Bombardement • ein großer Mond stabilisiert die Erdachse: kein Torkeln, Ebbe und Flut Entstehung des Mondes Kurz nach Entstehung der Protoerde vor 4,5 Mrd. Jahren schlägt ein Mars-großer Planet „Theia“ mit 10 km/sec ein, Theia war ein Trojaner im Erdorbit Krustenmaterial und kleine Teile der Metallkerne fliegen davon und sammeln sich in der Erdumlaufbahn zum Mond. Zurück bleibt die glutflüssige „heutige“ Erde mit um 23,5° geneigter Rotationsachse ( Jahreszeiten) Unser Planet Erde • Gesteinsplanet: Masse ~ 0,7..1,5 Me ± g, hält Atmosphäre • Plattentektonik: wegen flüssigem Kern (Restwärme,Radioakt.) Auffaltung von Land über das Meer, biologische Vielfalt Regulierung von CO2 in der Atmosphäre, Vulkane (genug für Leben, zu wenig für Treibhaus) José Vigil Unser Planet Erde • Magnetfeld durch Dynamo-Effekt im flüssigen Kernteil: Ablenkung des Sonnenwindes • Atmosphäre: Lebens-Gase / Schutz gegen Strahlung/Partikel • Wasser vorhanden, Oberfläche: Land - Wasser - Verteilung • ausreichend CHONS... für organische Moleküle Bakterien erzeugen Sauerstoff! Geologische Uhr der Erde Mit der geologischen Entwicklung der Erde änderte sich auch die Zusammensetzung ihrer Atmosphäre D. Catling, J. Kasting NASA Entwicklung der Atmosphäre www.mpia-hd.mpg.de/homes/.../Intelligentes_Leben_im_Universum.ppt Geo-biologische Uhr der Erde Trotz des Vorhandenseins der richtigen Elemente im Bereich der Erdoberfläche dauerte es fast 4 Milliarden Jahre, bis Bakterien und photochemische Prozesse die Voraussetzung für höheres Leben auf der Erde geschaffen hatten! z.B. dass Atmosphäre und Meer genügend Sauerstoff enthalten als Träger des Energiehaushalts vom Tieren und Pflanzen Statistische Zufälle Chicxulub-Krater auf Yucatan: Einschlag eines 10-15 kmMeteoriten vor 65 Mio Jahren löschte einen Großteil des irdischen Lebens aus – insbesondere auch die Saurier dadurch konnten sich die Säugetiere und letztlich der Mensch durchsetzen Das Starke Anthropische Prinzip Harald Lesch 2004: Es hat etwas ungeheuer Liebenswertes, zu erfahren, was der Kosmos sich für eine Arbeit gemacht hat, an dieser Stelle Leben zu ermöglichen. Das Starke Anthropische Prinzip “Das Universum muss in seinen Gesetzen und seinem speziellen Aufbau so beschaffen sein, dass es irgendwann unweigerlich einen Beobachter hervorbringt!“ Brandon Carter 1973 „Schöpferischer Designer“ hinter der Feinabstimmung der Naturkostanten? Alternative: Multiversen? Das Starke Anthropische Prinzip Oder ... ... werden wir eines Tages Naturgesetze erkennen, die zwingend die Abstimmung der Naturkonstanten vorgeben? Viel Aufwand für das bisschen Leben auf der Erde • Das überschaubare Weltall hat Teile, die heute etwa 40 Milliarden Lichtjahre voneinander entfernt sind • Es gibt darin grob 100 Milliarden Galaxien mit im Schnitt je etwa 100 Milliarden Sternen • Die Zahl der Planeten hat eine ähnliche Größenordnung • Wir kennen zwar noch keinen Planeten, der (höheres) Leben beherbergen könnte, aber statistisch gesehen müssten viele solche Planeten darunter sein • Nach heutiger Kenntnis der Naturgesetze bzw. unserem Entwicklungsstand sind diese aber für uns zu weit weg, um mit ihren Zivilisationen in Kontakt zu treten zu können Wozu also der ganze Aufwand im Weltall für uns paar Erdenbürger?? Das Fermi-Paradoxon 1950 zur Frage: „Gibt es in unserer Galaxis andere intelligente Zivilisationen?“ „Der weit verbreitete Glaube, es gäbe in unserem Universum viele technologisch fortschrittliche Zivilisationen, in Kombination mit unseren Beobachtungen, die das Gegenteil nahelegen, ist paradox und deutet darauf hin, dass entweder unser Verständnis oder unsere Beobachtungen fehlerhaft oder unvollständig sind!“ Kurz gefasst: Wenn es 'sie' gibt, warum sind sie nicht hier? Zumal es Sterne mit ihren Planeten gibt, die wesentlich älter sind als unsere Sonne. Zukunft der Erde - unsere Zukunft 1. Das größte und kurzfristige Risiko für unser Fortbestehen: unsere eigene Dummheit Klimawandel, Atomkrieg 2. Der Einschlag eines Riesen-Kometen/Asteroiden 3. Hitzetod der Erde infolge der heißer werdenden Sonne: In spätestens 500 Mio Jahren müssen die Nachfolger der Menschheit ein Verfahren zum Anheben der Erdbahn auf einen größeren Radius gefunden haben 4. Dann hätten „wir“ weitere 4 Mrd Jahre Zeit, bis der H-Brennstoff im Kern der Sonne verbraucht ist 5. Zwischendurch könnte jedoch der Erdkern zu weit abkühlen (Abnahme von Restwärme und radioaktiven Elementen) die Plattentektonik würde zum Erliegen kommen und infolge Erosion Alles im Meer versinken Aber vielleicht gelingt es eines fernen Tages doch, zu einem Exoplaneten auszuwandern?! Zusammenfassung 1. Es gibt uns, weil die Umstände dafür offensichtlich günstig waren! 2. Dazu mussten unglaublich viele Naturgesetze für uns „zusammenarbeiten“ und Naturkonstanten extrem präzise auf einander abgestimmt sein! 3. Zufall oder nicht? Wir sind auf jeden Fall in allen Belangen an der richtigen Stelle. 4. Und die Menschheit (ihre Nachfolger) hat die Chance, noch mehrere Milliarden Jahre hier weiter zu gedeihen, wenn sie sich nicht selbst zerstört! 5. Vielleicht ermöglichen prinzipielle technische Fortschritte eines Tages Kontakte zu außerirdischen Zivilisationen, so es die gibt. ... es bleibt die Frage: „Wofür / für wen wurde dieses riesige Universum gemacht?“ Danke fürs Mitdenken Literatur (1) • Wikipedia: Feinabstimmung der Naturkonstanten, 3α-Prozess, habitable Zonen, ... • Ringvorlesung „Boten aus dem All“, Uni-Tübingen SS 2013: - W. Kley: „Suche nach bewohnbaren Planeten“ 06.06.2013 - J. Jochum: „Dunkle Materie - unbekannte Elementarteilchen im Universum“ 04.07.2013 • P. Hägele: „Die moderne Kosmologie und die Feinabstimmung der Naturkonstanten auf Leben hin“ Jahrbuch der Karl-Heim-Ges. 2005 • Lisa Kaltenegger: „Exoplaneten - eine Spurensuche“ SuW 09/2013 • Ch. Lineweaver et al.: The galactic habitable zone and the age distribution of complex life, Science, Jan 2, 2004 • V. Springel: Die Millennium Simulation – Mit einem Superrechner auf den Spuren der Galaxies, SuW 11/2006, S.30-40 • Harald Lesch: Sternstunden des Universums - Von tanzenden Planeten und kosmischen Rekorden Literatur / Links (2) • www.iapg.bv.tum.de/mediadb/.../Erdmessung1_Plattentektonik.pdf • http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~tkuhr/HauptseminarSS09/ Jansen.pdf „Endstadien massiver Sterne – Supernova Typ II“ • http://www.studgen.unimainz.de/Dateien/HORNECK_Habitable_Welten-110131.pdf • http://www.hubert-brune.de/universum.html#milchstrasse • http://www.astrobio.net/exclusive/139/ Galactic habitable zones • www.mpiahd.mpg.de/homes/.../Intelligentes_Leben_im_Universum.ppt • http://grenzwissenschaft-aktuell.blogspot.de/2012/12/forscherngelingt-simulierter „schnappschuss von der entstehung des kohlenstoffkerns.html http://info.tuwien.ac.at/e142/documents/PuZK.pdf Heinz Oberhummer: Maßarbeit im Universum • http://arxiv.org/PS_cache/gr-qc/pdf/9704/9704009v2.pdf Max Tegmark: u.a. Feinabstimmung der Naturkonstanten