Telegramm 19: Weltraumteleskop Kepler findet erdähnliche Planeten

Seit März 2009 umkreist das NASA-Weltraumteleskop Kepler auf der Suche nach Exoplaneten die Sonne auf einer Bahn, die nur ein wenig von der der Erde abweicht. Das US-amerikanische Weltraumteleskop läuft auf seiner Bahn der Erde immer etwas hinterher, entfernt sich nach und nach von unserem Planeten und kann so unbeeinträchtigt von Sternbedeckungen durch die Erde beobachten. In einem genau definierten Himmelsareal im Sternbild Schwan mit etwa 100.000 Sternen sucht Kepler nach Planetentransits, welche sich in Form einer minimalen Helligkeitsabnahme des betroffenen Sterns bemerkbar machen.

Das US-Weltraumteleskop Kepler sucht in einem festen Ausschnitt des Sternenhimmels im Sternbild Schwan (Cygnus) nach Exoplaneten. Quelle: NASA 

Bei einem Planetentransit schiebt sich der Planet auf seiner Umlaufbahn  zwischenzeitlich vor die Sternscheibe und dunkelt sie ein wenig ab. Bei dem Vorübergang eines jupitergroßen Planeten beispielsweise, beobachtet man eine Helligkeitsabnahme von etwa 1/100 (1%), bei einem erdgroßen Planeten sind es lediglich noch 1/10000 (0,1 Promille).  Aus dem Grad der Helligkeitsabnahme läßt sich also unmittelbar die Größe des Exoplaneten herleiten. Der Zeitraum zwischen zwei Vorübergängen ergibt die Umlaufzeit und damit auch der Abstand des Planeten von seinem Heimatstern. Kennt man außerdem auch noch die Leuchtkraft des Heimatsterns, so können auch begründete Vermutungen über die Oberflächentemperatur des Exoplaneten angestellt werden.

Die entscheidende Voraussetzung für die Beobachtung eines Planetentransits bei einem fremden Stern ist allerdings, daß die Bahnebene des Exoplaneten nicht allzusehr gegen die Sichtlinie geneigt ist. Die Wahrscheinlichkeit für die Beobachtung eines Transits von einem in etwa erdgroßen Planeten liegt bei nur 0,005 (0,5%), erhöht sich aber natürlich mit der Anzahl der beobachteten Sterne. Ein einzelner (vermeintlicher)Planetentransit (Vorübergang des Planeten vor der Sternscheibe)muß noch nichts bedeuten, denn die Helligkeitsabnahme eines Sterns kann auch andere Ursachen haben. Beobachtet man aber einen Transit 2 oder gar 3 mal (in  gleichen zeitlichen Abständen) hintereinander , dann handelt es sich um einen echten Planetenkandidaten. Ab mindestens 4 beobachteten Transits gilt die Entdeckung des Exoplaneten als gesichert. 

Im Januar 2010 wurden die ersten fünf Planetenentdeckungen durch das Weltraumteleskop Kepler bekanntgegeben (vgl. Telegramm 9). Dabei handelte es sich jedoch nicht um erdähnliche Planeten, sondern um Planeten, die am ehesten mit Jupiter oder Neptun in unserem Sonnensystem vergleichbar sind. Die Planeten umkreisen ihren jeweiligen Heimatstern auf sehr engen Bahnen, so daß sie extrem hohe Oberflächentemperaturen aufweisen.

Doch inzwischen wurden anscheinend auch deutlich kleinere Planeten entdeckt.

Auf der diesjährigen TEDglobal-Konferenz in Oxford sprach der  zu dem Wissenschaftlerteam von Kepler gehörende Astrophysiker Dimitar Sasselov (Harvard University) über die Entdeckung von insgesamt über 700 neuen Planetenkandidaten, darunter auch mindestens 140 von der Größenordnung der Erde! Die Neuentdeckungen sind aber noch vorläufig und müssen durch  die Beobachtung weiterer Planetentransits abgesichert werden.

Das Video des Vortrages von Dimitar Sasselov. Quelle YouTube

Da deutet sich ein echter Durchbruch bei der Suche nach Exoplaneten an, denn unter allen bisher entdeckten Planeten sind die meisten Gasplaneten wie Jupiter, Saturn oder Neptun. Nur einige wenige sind sogenannte Supererden mit einer Größe zwischen Erde und Neptun. Die jetzt gefundenen Exoplaneten sind anscheinend die erdähnlichsten, die je gefunden wurden, denn alle haben nur eine Größe zwischen 1 und 2  Durchmessern der Erde. Wegen ihrer geringen Größe kann es sich nur um echte Felsplaneten handeln, aber nicht um Gasriesen oder irgendwelche Zwischenformen.

Statistische Größenverteilung der Exoplaneten vor (Juni 2010)   …

… und nach den neuen Entdeckungen (Juli 2010). Von den 700 bisher entdeckten Planeten gelten 270 als nahezu gesichert. Mehr als die Hälfte davon ähnelt zumindest in der Größe der Erde. Quelle: Vortrag Dimitar Sasselov www.ted.com/

Eine offizielle wissenschaftliche Veröffentlichung mit genaueren Informationen soll in Kürze folgen. Als nächstes wird dann überprüft, ob und wenn ja wieviele der Kandidaten sich in der habitablen Zone ihres Heimatsternes bewegen, also in einer Entfernung, bei der lebensfreundliche Oberflächentemperaturen herrschen könnten. 

Die philosophischen Implikationen der Entdeckung auch im engeren Sinne erdähnlicher Planeten wäre mindestens vergleichbar mit denen der kopernikanischen Revolution (heliozentrisches Weltsystem)!

Jens Christian Heuer

Quellen: TED, Kepler Home Page (http://kepler.nasa.gov/), Wikipedia

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Kategorien:Exoplaneten, Telegramme

Fingerabdrücke erdähnlicher Planeten in Spektren sonnenähnlicher Sterne?

Bei einer vergleichenden Untersuchung von Spektren sogenannter Sonnenzwillinge, also von Sternen, die in Alter und physikalischen Eigenschaften weitestgehend der Sonne ähneln, haben die drei  Astronomen Ramirez, Melendez (beide Portugal) und Asplund (Deutschland) möglicherweise den Ansatz für eine neue Methode zum Aufspüren erdähnlicher Planeten gefunden.

Ausgangspunkt war ein überraschender Befund: Die Sonne weist, verglichen mit der Mehrzahl ihrer Zwillinge, eindeutig einen zu geringen Anteil an schweren Elemente in ihrem Spektrum auf, oder anders herum die meisten Sonnenzwillinge haben zuviel schwere Elemente. Auf der folgenden Grafik ist das sehr schön zu sehen:.

Relative Häufigkeit der Elemente in Abhängigkeit von ihrer Kondensationstemperatur (Tc) bei 22 Sonnenzwillingen. Weitere Erklärungen im Text. Quelle: Ramirez, Melendez, Asplund (2009)

Elemente mit einer Kondensationstemperatur von unter 900 Kelvin (Tc <900 K) gelten als leichtflüchtig, Elemente mit einer Kondensationstemperatur von über 900 Kelvin (Tc >900 K) hingegen als schwerflüchtig. Die grauen Punkte entsprechen individuellen Häufigkeiten bei einzelnen Sternen; die Kreise mit Balken zeigen durchschnittliche Häufigkeiten mit jeweiligen Standardabweichungen.

Zum besseren Verständnis muß der Begriff der Metallizität eingeführt werden. Zu den Metallen werden in der Astronomie, abweichend vom üblichen Verständnis, alle Elemente gerechnet, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium. Während Wasserstoff und Helium schlagartig mit dem Urknall des Universums entstanden, wurden die Metalle erst im Laufe der Zeit bei Kernverschmelzungsreaktionen in Sternen oder bei Supernovaexplosionen am Ende des Lebens massereicher Sterne gebildet. Mit jeder neuen Sternengeneration, die aus der gut durchmischten „Asche“ ihrer Vorgängergeneration hervorgeht, nimmt daher der Anteil der Metalle im Universum, die sogenannte Metallizität, immer weiter zu.

Die Metallizität eines Sternes, also sein Gehalt an Elementen schwerer als Wasserstoff und Helium, wird stets relativ zu den Verhältnissen in unserer Sonne angegeben und zwar als logarithmischer Wert. Häufig wird das Eisen als Referenzelement stellvertretend für alle anderen „Metalle“ genommen. Das geht dann so: Man bestimmt zunächst im Sternenspektrum die Stärke der Absorptionslinien des Eisens (Fe) und des Wasserstoffs (H), setzt sie zueinander ins Verhältnis und bildet den Logarithmus. Mit Logarithmen läßt sich leichter arbeiten, denn aus dem Quotienten (Bruch) wird eine Differenz. Zwei Beispiele: Ein Wert von Fe/H= 1 wird von  jungen Sternen erreicht und bedeutet, daß der Stern 10x mehr Metalle enthält als die Sonne (log 10 exp 1 = 1!); ein Wert von -4 dagegen ist typisch für sehr alte Sterne, die lediglich 1/10000 soviel Metalle enthalten wie die Sonne (log 10 exp -4 = -4!). Die Sonne selbst hat definitionsgemäß eine Metallizität von Fe/H = 0.

In der Grafik wird die relative Häufigkeit der leichtflüchtigen und schwerflüchtigen Elemente bei den 22 Sonnenzwillingen mit denen unserer Sonne verglichen. Das Verhältnis wird wieder als logarithmischer  Wert dargestellt, diesmal als X/Fe, das ist die Absorption des jeweiligen Elementes als Differenz zur Absorption von Eisen, immer relativ zur Absorption bei den Wasserstofflinien (X/Fe = X/H – Fe/H).

Der Überschuß bei den schwerflüchtigen Elementen im Vergleich zur Sonne ist an der positiven Steigung  in der Grafik zu erkennen. Mit zunehmender Kondensationstemperatur wird auch der Überschuß größer. Es besteht also eine positiver Zusammenhang (eine positive Korrelation) zwischen der Kondensationstemperatur und der relativen Häufigkeit der  Elemente, was in der Grafik durch die positive Steigung zum Ausdruck kommt. Außer bei der Sonne fehlt dieser Überschuß aber auch bei einer Minderheit ihrer Zwillinge, erkennbar an der fehlenden odersogar negativen Steigung in der Grafik (s.u.).

Der Überschuß an schwerflüchtigen Elementen bei den meisten Sonnenzwillingen ist schon seltsam, wenn man bedenkt, daß sowohl die Sonne als auch ihre gleichaltrigen Zwillinge aus interstellaren Gas- und Staubwolken mit in etwa derselben Zusammensetzung entstanden sind (s.o.).

Warum also hat die Sonne verglichen mit den meisten ihrer Zwillinge ein Defizit an schwerflüchtigen Elementen? Der Astronom Melendez fand eine verblüffende Lösung: Der Sonne fehlen ein Teil der schweren Elemente, weil diese sich in ihren (erdähnlichen) Felsplaneten befinden, wozu Merkur, Venus Erde und Mars zählen. Der Asteroidengürtel kann als Überrest eines verhinderten Felsplaneten angesehen werden. 

Das heißt dann aber auch im Umkehrschluß, daß die Mehrzahl der  Sonnenzwillinge, die ja kein Defizit an schwerflüchtigen Elementen aufweist, wahrscheinlich auch ohne Felsplaneten ist. 

Entstehung eines Planetensystems. Quelle: Spektrum der Wissenschaft (verändert)

Diese Schlußfolgerung wird durch zwei weitere Tatsachen gestützt:  

1. Rechnet man die Masse der in der Sonne fehlenden schweren Elemente zusammen, so kommt man näherungsweise auf die Gesamtmasse aller Felsplaneten und Asteroiden in unserem Sonnesystem.

2. Sonnenzwillinge, die von einem oder mehreren Gasriesen auf relativ engen Bahnen umrundet werden, ungefähr in den Abständen, wo sich in unserem Sonnensystem  die vier Gesteinsplaneten befinden, haben in allen bisher bekannten Fällen kein Defizit an schweren Elementen wie die Sonne. Gasriesen auf engen Bahnen verhindern durch ihre Gezeitenkräfte die Bildung von Gesteinsplaneten aus der protoplanetaren Scheibe. Die auskondensierten schweren Elemente bleiben ungenutzt und „regnen“ zurück auf den Stern.

Die Gasriesen selbst verändern das Verhältnis zwischen schweren und leichten Elementen praktisch überhaupt nicht, da sie bei ihrer Entstehung aus der protoplanetaren Scheibe neben den schweren auch einen sehr großen Anteil leichtflüchtiger Elemente aufnehmen.

Die nächste Grafik zeigt Zusammenhänge zwischen drei wichtigen physikalischen Eigenschaften der Sonnenzwillinge und ihren durchschnittlichen Elementhäufigkeiten:

Korrelationen zwischen Häufigkeiten und Kondensationstemperaturen schwerflüchtiger Elemente (Tc >900 K slope), sowie durchschnittliche Häufigkeiten leichtflüchtiger Elemente (Tc < 900 K X/Fe avg) in Abhängigkeit von 3 wichtigen Eigenschaften der untersuchten Sonnenzwillinge. Weitere Erklärungen im Text. Quelle: Quelle: Ramirez, Melendez, Asplund (2009)

In der obere Reihe werden für die schwerflüchtigen Elemente die Korrelationen zwischen ihrer Häufigkeit und Kondensationstemperatur (erkennbar an der Steigung der jeweiligen Kurve) in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur (links), der Schwerkraft (Mitte) und der Metallizität der untersuchten Sonnenzwillinge dargestellt.

Interessant ist vor allem die rot markierte Grafik, denn sie zeigt sehr deutlich den möglichen „Fingerabdruck“ der Felsplaneten:

Bei Metallizitäten von Fe/H = 0 bis > 0,1 erkennt man unter den Sonnenzwillingen zwei Gruppen; die eine größere mit einer positiven Korrelation (positive Steigung der Kurve, helle Punkte), also mit einem Überschuß schwerer Elemente im Vergleich zur Sonne und eine weitere, deutlich kleinere Gruppe ohne oder sogar mit einer negativer Korrelation (negative Steigung der Kurve, dunkle Punkte).

Diese zweite, kleinere Gruppe, die lediglich 15% der untersuchten Sonnenzwillinge umfasst, hat wie die Sonne ein Defizit schwerflüchtiger Elemente, wenn man sie mit der Mehrzahl (85%) der anderen Sonnenzwillinge vergleicht. Die zu dieser Minderheit gehörenden Sterne werden wahrscheinlich ebenso wie die Sonne von ein oder mehreren Gesteinsplaneten umkreist und dürften damit über ein Planetensystem ähnlich unserem Sonnensystem verfügen.

Hier sollte man suchen, wenn man eine Zweite Erde finden will!

Bei ausschließlicher Einbeziehung von Sonnenzwillingen mit Metallizitäten Fe/H > 0,1 steigt der Anteil an Sternen, die wahrscheinlich von Felsplaneten begleitet werden, auf möglicherweise bis zu 50%.

Jens Christian Heuer

Quelle: Accurate abundance patterns of solar twins and analogs – Does the anomalous solar chemical composition come from planet formation? (I. Ramírez, J. Meléndez, M. Asplund)

Kategorien:Exoplaneten, Telegramme

Japaner testen revolutionäres Antriebskonzept für den Weltraum

Am 21.Mai 2010 starteten die Japaner erfolgreich eine äußerst interessantes interplanetares Weltraumunternehmen. An Bord einer HII-A Trägerrakete befanden sich zwei völlig unterschiedlich konstruierte, unbemannte Raumschiffe, die beide nach der Trennung von der HII-A beide in Richtung Venus weiterfliegen, aber grundverschiedene Missionsziele verfolgen: 

1. Der Venus-Orbiter, „Akatsuki“ (Morgendämmerung) soll Wetter und Klima auf der Venus untersuchen und vielleicht auch  auch möglichen Hinweisen auf Leben in der Venusatmosphäre nachgehen.

Der „Wettersatellit“ Akatsuki in der Venusumlaufbahn. Quelle: JAXA

2. Der kleine experimentelle Sonnensegler „Ikaros“  (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) betritt absolutes Neuland in der Raumfahrttechnik, da er ein vollkommen neues, noch nie erprobtes Antriebskonzept umsetzt. „Ikaros“ wird nicht durch Raketentriebwerke, sondern über ein Sonnensegel nur durch das Sonnenlicht angetrieben, ähnlich wie ein Segelschiff durch den Wind.

Der Sonnensegler Ikaros auf dem Weg zur Venus. Quelle: JAXA

Das Raumschiff kann vor dem Sonnenlicht „segeln“ also in von der Sonne weg, aber auch gegen das Sonnenlicht kreuzen, wobei es abgebremst wird und wegen der veringerten Bahngeschwindigkeit in Richtung Sonne „fällt“.

Antriebsprinzip eines Sonnenseglers. Quelle: JAXA

Das Sonnensegel ist beim Start natürlich gut verpackt. Erst nach der Trennung des Raumschiffs von der Trägerrakete HIIa wird das Sonnensegel in einem komplizierten mehrschrittigen Prozeß nach und nach entfaltet. Diese Phase ist die kritischte der gesamten Ikaros-Mission.

Die verschiedenen Phasen der Ikaros-Mission. Quelle: JAXA

Ikaros kann mit Hilfe von an den Außenrändern des Segels eingebauten Flüssigskristallen dort die Reflektionseigenschaften verändern und so eine Lagekontrolle ausüben.

Bauplan des Sonnenseglers Ikaros. Quelle: JAXA

Wenn an die Flüssigkristallelemente keine Spannung angelegt wird, reflektieren sie das Sonnenlicht diffus, und es entstehen keine wirksamen Kräfte. Stehen die Elemente dagegen unter Spannung, so reflektieren sie das Sonnenlicht in einer Richtung, so daß eine Kraft ausgeübt wird.

Ikaros Lagekontrolle mit Flüssigkristallen Quelle: Jaxa

Inzwischen hat „Ikaros“ erfolgreich sein Segel entfaltet und ist  in die Missionsphase 5 eingetreten, wie die folgende,  mit einer ausfahrbaren Kamera gemachte Aufnahme eindrucksvoll beweist:

Ikaros mit entfaltetem Segel Quelle: JAXA

Auch die Lagekontrolle mit den Flüssigkeitskristallen wurde schon erfolgreich getestet:

Test der Flüssigkeitskristall-Lagekontrolle von Ikaros. Quelle: JAXA

Das Antriebskonzept von „Ikaros“ ist wahrhaft revolutionär und wird hier erstmals im Weltraum ausprobiert. Klappt alles weiterhin so gut wie bisher, dann wird schon im Jahre 2013 eine weitere japanische Sonde mit einem wesentlich größeren Segel starten, diesmal in Richtung Jupiter.


Mission zu Jupiter und den Trojanern mit einem Sonnensegler. Quelle: JAXA

Die Mission soll neben dem Riesenplanet Jupiter aber auch die Trojanischen Asteroiden erforschen.  Die „Trojaner“ bewegen sich zusammen mit den  „Griechen“ auf derselben Bahn wie Jupiter, eilen dem Gasriesen jedoch voraus bzw. folgen ihm nach.

Die Trojanischen Asteroiden Quelle: Wikipedia

Die Vorteile der neuen Lichtsegel-Antriebstechnologie liegen auf der Hand. Sie spart Treibstoff und wird die Reisezeiten bei interplanetaren Unternehmungen erheblich verkürzen. In einer fortgeschritteneren Form wären mit dieser Technologie sogar interstellare Reisen zu den nächsten Fixsternen durchführbar und das bei Reisezeiten von nur wenigen Jahrzehnten! 

Mit herkömmlichen chemischen Raketentriebwerken blieben interstellare Reisen, selbst zu den allernächsten Sternen, für alle Zeiten undurchführbar. Eine solche Reise würde, bei einem schon aus Treibstoffgründen überwiegend antriebslosem Flug,  mehrere Jahrzehntausende dauern. Auch mit den derzeit oder bald zur Verfügung stehenden Ionentriebwerken wären noch Jahrhunderte bis Jahrtausende zu veranschlagen.

Ein interstellarer Flug zum nächsten Fixstern Alpha-Centauri (Entfernung 4,5 Lichtjahre) mit einem Licht- bzw.  Mikrowellen-Segler. Quelle: Glenn Research Center, NASA

So etwas würde allerdings nicht mehr mit dem Sonnenlicht funktionieren. Der Druck auf das Lichtsegel würde mittels hochenergetischer, durch Fresnel-Linsen gebündelter Laserpulse oder Mikrowellen (Maser) erzeugt.

Jens Christian Heuer 

Quelle: JAXA (http://www.jaxa.jp/)

Kategorien:Raumfahrt

Telegramm 18: Die Evolution der Galaxien

Der Astronom Edwin Hubble, der Entdecker der Expansion des Universums,  entwickelte auch ein System zur Klassifizierung von Galaxien. Er ordnete sie nach ihrem optischen Erscheinungsbild in einem Diagramm, das die Form einer Stimmgabel hat. Den Griff der Stimmgabel bilden die elliptischen Galaxien, die rund oder eher langgestreckt erscheinen (E0-E7). An der Verzweigungsstelle zu den Zinken mit den Spiralgalaxien ist eine flache Scheibe (S0), sozusagen eine Spirale ohne Spiralarme. Die Spiralgalaxien unterteilten sich in gewöhnliche Spiralen (S)  und Balkenspiralen (Sb), die sich jeweils in der Ausprägung des Kernbereichs und der Spiralarme unterscheiden (Sa-Sc, SBa-SBc). Außerhalb des eigentlichen Stimmgabeldiagramms ordnete Hubble die irregulären Galaxien ein, bei denen es sich um Sternansammlung ohne erkennbare Ordnungsstruktur handelt.

Hubble´s Stimmgabel-Diagramm zur Klassifizierung der Galaxien. Quelle: Wikipedia

Ein Gruppe europäischer Astronomen erstellte Stimmgabeldiagramme naher und ferner Galaxien. Wegen der konstanten Lichtgeschwindigkeit sehen wir ferne Galaxien so wie sie früher einmal waren, während wir nahe Galaxien in etwa dem heutigen Zustand erblicken, wobei ein paar Millionen Jahre hier ohne Bedeutung sind.

In ihre Untersuchung nahmen die Wissenschaftler 116 nahe und 148 ferne Galaxien auf. Letztere zeigten das Universum von vor 6 Milliarden Jahren.

Überraschenderweise wiesen die Stimmgabeldiagramme beider Galaxiengruppen beträchtliche Unterschiede auf:

Vor 6 Milliarden Jahren gab es wesentlich mehr irreguläre Galaxien als heute. Umgekehrt war der Anteil an Spiralgalaxien damals deutlich geringer. Innerhalb der letzten 6 Milliarden Jahre müssen sich also viele irreguläre Galaxien in Spiralgalaxien verwandelt haben, so die einzig mögliche Schlußfolgerung. Das ist aber nur möglich, wenn Galaxien zusammenstoßen und dabei verschmelzen.

Galaxienverteilung früher und heute. Quelle: Hubble/ESA

Bisher dachte die meisten Astronomen, daß die Anzahl der Galaxienkollisionen schon vor 8 Milliarden deutlich abgenommen hat. Das kann so nicht stimmen. Vielmehr ist davon auszugehen, daß es mindestens noch bis vor 4 Milliarden Jahren in unserem Universum recht turbulent zuging.

Auch die Annahme, daß bei der Verschmelzung zwei oder mehrerer Galaxien sehr häufig elliptische Galaxien entstehen, ist nun kaum noch haltbar, denn entgegen den Erwartungen sieht man in den beiden Stimmgabeldiagrammen keine nenenswerten Veränderungen in der Häufigkeit der elliptischen Galaxien.

Die ursprüngliche Annahme stützte sich auf die Beobachtung, daß elliptische Galaxien nur wenig Gas enthalten, mit der Folge einer sehr geringen Sternentstehungsrate. Bei der Kollision von Galaxien würde es dann durch die Gezeitenkräfte zu einem enormen Anstieg der Sternentstehungsrate kommen, so meinte man. Durch diesen vor allem im Zentrum stattfindenden Sternentstehungsausbruch werde nahezu alles Gas weggeblasen und übrig bliebe häufig eine elliptische Galaxie.

Die Wissenschaftler haben aufgrund der neuen Ergebnisse jetzt eine neue Theorie. Sie vermuten, daß immer dann Spiralgalaxien aufgebaut werden, wenn die verschmelzenden irregulären Galaxien viel interstellares Gas enthalten, was in einem erheblich jüngeren Universum wohl auch zumeist der Fall war.

Diese Theorie deckt sich vielleicht auch mit dem jüngsten Befund, daß unsere Milchstraße, eine Spiralgalaxie(!), im Laufe ihres Lebens mehrere Zwerggalaxien verschluckt und dadurch erst ihre heutige Gestalt und Größe erreicht hat. Zwerggalaxien sind aber in den meisten Fällen entweder irregulär oder elliptisch (vgl. Telegramm 15).

Quelle: http://www.spacetelescope.org/

Jens Christian Heuer

Das junge Planetensystem bei Beta Pictoris

Beta Pictoris ist ein junger, heißer Stern der Spektralklasse A im Sternbild Pictor (Maler) und fast doppelt so massereich wie die Sonne. Im Jahre 1983 entdeckte das von den USA, Großbritannien und den Niederlanden gemeinsam entwickelte Infrarotteleskop IRAS eine Gas- und Staubscheibe um den 62 Lichtjahre entfernten Stern. Ein Jahr später gelang es diese Scheibe auch direkt zu fotografieren. 

Gas- und Staubscheiben um junge Sterne, das entsprach genau der Vorhersage der gängigen Theorie über die Entstehung von Planeten bei Sternen, und nun hatte man tatsächlich so eine Scheibe gefunden.

Infrarotaufnahme der Gas- und Staubscheibe um Beta Pictoris. Quelle: IRAS-NASA 

Beta Pictoris war damit das erste in der Entstehung begriffene extrasolare Planetensystem, das jemals entdeckt wurde! 

Die  Theorie über die Planetenenstehung, welche in ihren Grundzügen schon durch den Philosophen Immanuel Kant (1724-1804) im 18. Jahrhundert (!) formuliert wurde, geht davon aus, daß  Planeten eine allgemeine Begleiterscheinung  der Sternentstehung sind:

Eine interstellare Wolke aus Gas (99%) und Staub (1%) mit einem Durchmesser von etwa einem Lichtjahr kollabiert unter dem Einfluß ihrer eigenen Schwerkraft und gerät dabei in Rotation. Wegen der Erhaltung des Drehimpulses dreht sich die Wolke immer schneller und flacht infolge der Rotation zu einer Scheibe ab. Das Zentrum verdichtet sich immer weiter bis  Dichte und Temperatur so hoch sind, daß ein Stern entsteht, in dessen Innerem energieliefernde Kernverschmelzungsprozesse starten. Der Hauptdrehimpuls verbleibt in der Gas- und Staubscheibe. Wenn sich diese sogenannte protoplanetare Scheibe langsam abkühlt, kommt es zu Kondensationsvorgängen an den vielen, als Kondensationskerne wirkenden Staubteilchen. Diese werden dadurch immer größer und sammeln sich in der Scheibenebene, sowohl unter dem Einfluß der Schwerkraft als auch wegen der Bremswirkung durch das Gas in der protoplanetaren Scheibe. Dicht gedrängt in der Scheibenebene begegnen sich die Staubteilchen immer häufiger, um aneinander haften zu bleiben. Das Wachstum der Staubteilchen beschleunigt sich dementsprechend, und es bilden sich die ersten Planetesimale mit Durchmessern von bis zu einigen Kilometern.

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Planetenentstehung aus einer Gas- und Staubscheibe, der sogenannten protoplanetaren Scheibe.  Quelle: http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/arny/indexnew.mhtml

In Abhängigkeit von der Temperatur der Scheibe, die von innen nach außen abnimmt, kondensieren im inneren, heißen Bereich bis 0,5 AE vorwiegend metallische Teilchen, ab 1 AE Abstand überwiegen dann die Silikate, und bei 3 AE wird schließlich die sogenannte „Schneegrenze“ erreicht, wo dann auch Eisteilchen auskondensieren. 1 Astronomische Einheit (AE) entspricht dabei der Entfernung Erde – Sonne (150 Millionen km). Die Planetesimale sind bald groß genug um weitere Materie anzusammeln. Die Größeren wachsen zu Protoplaneten heran, die Kleineren stoßen aufeinander und zerfallen wieder, oder aber sie werden von den Protoplaneten weggeschleudert und bilden einen äußeren Ring, den Kuiper – Gürtel. Manche stürzen allerdings auch in den zentralen Stern. Da jenseits der „Schneegrenze“ mehr Kondensationsmaterie zur Verfügung steht als weiter innen, entstehen hier dementsprechend größere Planetesimale, welche wiederum auch mehr Material einsammeln können. Diese sehr großen Protoplaneten (bis 10 Erdmassen und mehr) ziehen auch erhebliche Mengen Gas an, wodurch die sogenannten Gasriesen (wie Jupiter und Saturn in unserem Sonnensystem) entstehen. Weiter innen bilden sich kleinere Protoplaneten, die Metalle (vorwiegend Eisen und Nickel) und Gestein (Silikate) einsammeln, aber kein Gas, denn das kann hier wegen der zu hohen Temperaturen nicht auskondensieren. Die noch vorhandenen kleineren Planetesimale bombardieren die felsigen Protoplaneten, die dabei so heiß werden, daß sie aufschmelzen und eine innere Differenzierung stattfinden kann. Eisen und Nickel sinken zur Mitte und bilden den Kern, die leichteren Silikate dagegen den Mantel und die Kruste (erdähnliche Planeten). Ein Teil der dann immer noch übrig gebliebenen Planetesimale bilden einen oder auch mehrere Asteroidengürtel.

Bei Beta Pictoris passt alles zu dieser Theorie. Die protoplanetare Scheibe  hat einen Radius von 400 AE (1 AE=150 Millionen km, mittlerer Abstand Erde-Sonne) und ist im inneren Bereich an mehreren Stellen verbogen. Dort sind die Staubpartikel außerdem kleiner und wärmer als woanders in der Scheibe.

Infrarotaufnahme mit den drei Bereichen (A, B und C), wo die protoplanetare Scheibe von Beta Pictoris verbogen ist. Bei A wurde inzwischen ein großer Planet gefunden. Quelle: http://keckobservatory.org/

Vermutlich gibt es hier Planeten, die mit ihrem Schwerefeld Felsbrocken an sich ziehen. Diese prallen dann vermehrt aufeinander und zerbröseln dabei zu kleinen Staubkörnern, die sich besonders schnell durch die Strahlung des Sterns erwärmen. Ein weiterer Hinweis auf Planeten ist die Entdeckung einer zweiten Scheibe, die gegenüber der Hauptscheibe um 4° geneigt ist. Diese zweite Gas- und Staubscheibe formte sich möglicherweise in der Bahnebene eines großen umlaufenden Planeten.

Zwei Gas- und Staubscheiben um Beta Pictoris. Die zweite Scheibe markiert die Umlaufbahn des inzwischen tatsächlich entdeckten großen Planeten. Quelle: http://hubblesite.org/

Inzwischen konnte tatsächlich einer der vermuteten Planeten um Beta Pictoris gefunden werden und zwar auf recht spektakuläre Weise:

Im Jahre 2003 entdeckte ein  Team französischer Astronomen um Anne-Marie Lagrange mit dem Very Large Telescope VLT (8,2m Spiegeldurchmesser) des European Southern Observatory (ESO) ein schwach leuchtendes Objekt innerhalb der protoplanetaren Gas- und Staubscheibe um Beta Pictoris. Es konnte ein Planet sein, aber vielleicht auch nur ein Hintergrundstern.

Als man im Jahre 2008 und im Frühjahr 2009 erneut die Scheibe um Beta Pictoris fotografierte, war das Objekt aber verschwunden. Doch im Herbst 2009 war es dann plötzlich wieder da und zwar auf der genau gegenüberliegenden Seite der protoplanetaren Scheibe!

Der neuentdeckte Planet in der Gas- und Staubscheibe bei Beta Pictoris im Herbst 2009. Der Stern ist ausgeblendet, da er ansonsten den vergleichsweise lichtschwachen Planeten hoffnungslos überstrahlen würde. Quelle:  http://www.eso.org/

Damit war klar, daß es sich um einen Planeten handelte. Dieser war zunächst im Jahre 2003 neben Beta Pictoris in der Scheibe gut sichtbar gewesen, dann zwischenzeitlich dem Stern so nahe gekommen, daß er überstrahlt wurde -wobei er entweder vor oder hinter dem Stern stand – und dann schließlich im Herbst 2009 genau gegenüber auf der anderen Seite des Sterns in der Scheibe wieder aufgetaucht. Die Beobachtungen erlaubten Rückschlüsse auf die Umlaufbahn dieses Planeten. Dieser umrundet Beta Pictoris einmal in 15-20 Jahren in einer Entfernung, die mit der des Planeten Saturn zu unserer Sonne vergleichbar ist.

Die Positionen des neu entdeckten Planeten bei Beta Pictoris in den Jahren 2003 und 2009. Erstmals wurde ein extrasolarer Planet beim Umrunden seines Sterns direkt beobachtet! Quelle: http://www.eso.org/

Aus der Deformation der Gas- und Staubscheibe läßt sich auch seine Masse abschätzen. Der Planet ist danach etwa 9 mal so schwer wie der größte Planet unseres Sonnensystems, der Gasriese Jupiter (~9 M Jup). Wegen seiner gewaltigen Masse und seiner weiten Entfernung zum Stern, die eindeutig  jenseits der „Scheegrenze“ in der protoplanetaren Scheibe liegt, kann es sich ebenfalls nur um einen Gasriesen handeln. Dieser muß sich in erstaunlich kurzer  Zeit gebildet haben, denn der junge Stern Beta-Pictoris ist erst 12 Millionen Jahre alt. Das ist sehr wenig im Vergleich zu unserer Sonne mit einem Alter von immerhin schon 4,5 Milliarden Jahren. Die Bildung von Gasriesen scheint demnach sehr einfach und dürfte die Regel sein, falls  ausreichend Material in der protoplanetaren Scheibe vorhanden ist.

Zum Schluß noch der Hinweis auf eine Besonderheit des Beta-Pictoris-Systems:

Die protoplanetare Scheibe um Beta Pictoris enthält extrem hohe Mengen an Kohlenstoff. Das könnte bedeuten, daß mögliche Felsplaneten und -monde bei Beta-Pictoris (neben einem Eisen-Nickel-Kern) nicht hauptsächlich aus Silikatgesteinen bestehen wie das in unserem Sonnensystem der Fall ist, sondern hauptsächlich aus Kohlenstoffverbindungen wie Graphit, Carbid und Diamant. In den äußeren kalten Regionen des Planetensystems käme vielleicht noch superhart gefrorenes Wassereis hinzu.

Felsplaneten und -monde aus Kohlenstoff anstatt aus Silikaten im Beta-Pictoris-System? Kohlenstoffplaneten (kleines Bild unten) böten ein vollkommen anderes Erscheinungsbild als Silikatplaneten ähnlich der Erde (kleines Bild oben). Quelle: http://www.nasa.gov/

Die Atmosphären dieser exotischen Planeten würden wahrscheinlich vorwiegend Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Mehan (CH4) und vielleicht auch Stickstoff (N2) enthalten. Sogar einen Flüssigkeitskreislauf mit Seen, Flüssen, Meeren, Wolken und Niederschlägen könnte es geben, möglicherweise aber nicht mit Wasser (H2O), sondern mit flüssigen Kohlenwasserstoffen (CnHn). Das wäre in etwa vergleichbar mit den Verhältnissen auf dem Saturnmond Titan in unserem Sonnensystem.

Jens Christian Heuer

Quellen: ESO, NASA

Anzeichen für exotische Lebensformen in der Atmosphäre des Saturnmondes Titan?

Im Jahre 2004 erreichte die NASA-Sonde „Cassini“ nach einer langen Reise den Saturn und schwenkte in eine Umlaufbahn ein. Kurz danach setzte sie die europäische Sonde Huygens aus, welch in die Atmosphäre des mit über 5000 km Durchmesser größten Saturnmondes Titan eintauchte. Nach Abtrennung des Hitzeschildes landete Huygens an einem Fallschirm weich auf der Oberfläche. Während des Abstiegs und auch nach der Landung übertrug die Sonde eindrucksvolle Aufnahmen. Die Sonde Cassini absolvierte in den folgenden Jahren mehrere Vorbeiflüge am Titan und anderen Saturnmonden.

Nach einer 7-jährigen Reise erreichte die NASA-Sonde Cassini den Ringplaneten Saturn. Mit dabei war die europäische Sonde Huygens, die weich auf dem größten Saturnmod Titan landete. Quelle: NASA

Bei der Auswertung der Daten zeigten sich nun erstaunliche Anomalien in der Atmosphäre des Titan, welche als Hinweise auf exotische Lebensformen interpretiert werden können.

Titan ist trotz seiner extrem niedrigen Oberflächentemperaturen, die bei -180°C liegen, eine in vieler Hinsicht erstaunlich erdähnliche Welt. Es gibt Flüsse, Seen, Inseln, Küsten, Berge, Dünen und Eisvulkane.

Die Atmosphäre des Titans besteht wie die der Erde zum größten Teil aus Stickstoff (N2), enthält aber überhaupt keinen Sauerstoff (O2). Dafür gibt es erhebliche Mengen an Methan (CH4) und anderen flüchtigen Kohlenwasserstoffen, daneben auch noch Wasserstoff (H2); Kohlendioxid (CO2) und ein paar Edelgase, vor allem Argon (Ar). 

Drei Ansichten des Titan im Infraroten. Quelle: Cassini-NASA

Die Seen und Flüsse auf Titan enthalten kein Wasser, sondern die flüssigen Kohlenwasserstoffe Methan und Ethan. Wie auf der Erde gibt es einen Flüssigkeitskreislauf, der neben den Winden und der Tektonik die Oberflächenstrukturen ganz entscheidend mitprägt.

Die flüssigen Kohlenwasserstoffe verdunsten bei leichter Erwärmung und kondensieren zu winzigen Tröpfchen, wenn sie in wieder abkühlen. Dabei bilden sich bodennahe Nebel, aber auch höhere Wolken aus denen es häufig regnet.

Wolken auf der Südhalbkugel des Titan. Quelle: Cassini-NASA

Titan ist ganz von einem dichten, gelblich-braunen Dunstschleier eingehüllt, der zu großen Teilen aus polymerisierten Kohlen-Stickstoff-Verbindungen, den Tholinen besteht, die sich unter dem Einfluß der UV-Strahlung der Sonne bilden.

Obere Atmosphäre und Dunstschleier. Quelle: Cassini-NASA 

Schon seit einiger Zeit wird über hypothetische Lebensformen auf  Titan nachgedacht. Da es auf Titan extrem kalt ist scheidet Wasser als Medium für enzymatisch vermittelte Reaktionen des Stoffwechsels aus. Die Rolle des Wassers würden stattdessen die flüssigen Kohlenwasserstoffe Methan und Ethan übernehmen. Als energieliefernde Reaktion käme die „Verbrennung“ von Acetylen mit Wasserstoff infrage, denn Acetylen wird unter der Einwirkung der UV-Strahlen der Sonne in der Titanatmosphäre reichlich gebildet. Im Acetylen wird also Sonnenenergie gespeichert, die dann bei der enzymatischen „Verbrennung“ mit Wasserstoff wieder frei würde. Irdisches Leben gewinnt seine Energie dagegen zumeist aus der Verbrennung von Kohlenhydraten mit Sauerstoff. Das gilt auch für pflanzliche Lebewesen, welche die Kohlenhydrate aber nicht verzehren müssen, sondern über die Photosynthese aus Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) unter der Nutzung von Sonnenlicht selbst herstellen.

Panoramaaufnahme der europäischen Sonde Huygens, die bei Cassini huckepack zum Saturnsystem mitreiste und weich auf Titan landete. Im Vordergrund sieht man  links und rechts im Bild Gebirge, in der Bildmitte dazwischen zeichnet sich in größerer Entfernung eindeutig eine Küstenlinie ab. Quelle: Christian Waldvogel (http://www.waldvogel.com/), Huygens-ESA

Zwei neu veröffentlichte Überprüfungen der Cassini-Daten durch Wissenschaftlerteams der NASA  zeigten in Oberflächennähe ein rätselhaftes Verschwinden der beiden in der Atmosphäre reichlich vorhandenen Gase Acetylen und Wasserstoff an, genauso wie man das auch bei den bisher noch hypothetischen exotischen Lebensformen erwarten würde.

„Die neuen Auswertungen der Cassini-Daten stimmen zwar mit Bedingungen überein, wie sie exotische, auf Methan basierende Lebensformen entstehen lassen könnten, beweisen jedoch noch nicht deren Existenz“, meint Darrell Strobel (Johns Hopkins University, Baltimore), einer der an den Untersuchungen beteiligten Wissenschaftler.

Acetylen, eine wie oben beschrieben in der Atmosphäre des Titan reichlich vorhandene ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindung, müßte  eigentlich absinken und sich auf seiner kalten Oberfläche niederschlagen. Doch direkt an der Oberfläche findet man kaum Acetylen. Wird es durch exotische Mikroorganismen verzehrt?

Eingefärbtes Radarbild großer Seen audf der Nordhalbkugel. Die weissen Regionen wurden bisher noch nicht erfasst. Quelle: Cassini-NASA

Dieselbe Frage stellt sich auch beim Wasserstoff. Unter den Bedingungen der sauerstoffreien Titanatmosphäre ist das leichte Wasserstoffgas ausgesprochen reaktionsträge. Nach bisheriger Lesart müßte es sich in der Atmosphäre mehr oder weniger gleichmäßig verteilen und wegen seiner großen Flüchtigkeit in erheblichen Mengen nach oben in den Weltraum entweichen. Das passiert auch in Wirklichkeit so, aber zusätzlich wurde noch etwas anderes gefunden. Nahe der Oberfläche fällt unerwarteterweise die Konzentration des Wasserstoffgases drastisch ab. Es sieht ganz so aus als ob der Wasserstoff von der Oberfläche regelrecht aufgesogen wird und dann auf Nimmerwiedersehen verschwindet. Wasserstoff entsteht in großen Mengen in der oberen Titanatmosphäre, wo die UV-Strahlung der Sonne Methan- und Acetylenmoleküle aufbricht. Der dabei freigesetzte atomare verbindet sich zu den zweiatomigen molekularen Wasserstoff. Es gibt keinen bekannten Mechanismus durch den der reaktionsträge Wasserstoff  an der Oberfläche gebunden oder in Höhlen angesammelt werden könnte. Wird er also durch Mikroorganismen als Reaktionspartner von Acetylen genutzt und dabei verbraucht?

Überraschenderweise fanden die NASA-Wissenschaftler spektroskopisch auch keine Wassersignaturen an der Oberfläche des Titan, obwohl das Oberflächengestein wegen der extrem niedrigen Temperaturen aus superhart gefrorenem Wassereis besteht. Das Wassereisgestein ist anscheinend mit einem organischen Film aus Kohlenwasserstoffen überzogen. Spektroskopisch wurde Benzol nachgewiesen, daneben aber auch noch eine weitere, bisher nicht identifizierte organische Verbindung. Der organische Film scheint selbst dann erhalten zu bleiben, wenn flüssiges Methan und Ethan über das Wassereis fließt.

Eisvulkan auf Titan in verschiedenen infraroten Wellenlängen. Quelle: Cassini-NASA

Wassereis übernimmt auf dem Saturnmond Titan die Rolle des irdischen Silikatgesteins. Aus den Eisvulkanen strömt bei Ausbrüchen zähflüssiges Eis und/oder flüssiges Wasser, das an der bitterkalten Oberfläche im Handumdrehen wieder zu Wassereisgestein erstarrt.

Jens Christian Heuer

Quellen:  NASA, New Scientist

Die Anfänge der modernen Kosmologie

1576 Thomas Digges und das unendliche Weltall

Im Jahre 1576 veröffentlichte der englische Mathematiker und Astronom Thomas Digges (1546-1595) eine englische Übersetzung und anschließende Diskussion des damals höchst umstrittenen Hauptwerks von Nikolaus Kopernikus (1473-1543) über das heliozentrische Weltsystem.

Digges unterstützte Kopernikus, ging aber in seinen Schlussfolgerungen wesentlich weiter als dieser. Während Kopernikus noch von einer  Fixsternsphäre als äußere Begrenzung des Sonnensystems (und damit auch der gesamten Welt) ausging und insofern noch mit den Vertretern des geozentrischen Modells (mit der Erde im Mittelpunkt) übereinstimmte,  sah Digges die Sterne als ferne Sonnen ähnlich der unsrigen an, verstreut in einem von ihm als unendlich betrachteten Universum.

Karte des Sonnensystems von Thomas Digges (1546-1595). Quelle: Wikimedia

Derartige Ansichten zu vertreten, war damals nicht ganz ungefährlich. Giordano Bruno(1548-1600), ein italienischer Theologe und Philosoph dachte ähnlich wie Digges und vertrat das auch offensiv in aller Öffentlichkeit. Sogar von außerirdischem Leben auf Planeten anderer Sterne sprach er. Die katholische Kirche sah das gar nicht gerne und stellte ihn dafür vor ein Inquisitionstribunal. Das verurteilte ihn wegen Ketzerei und ließ ihn nach jahrelanger Haft und Folterungen in Rom öffentlich auf dem Scheiterhaufen verbrennen.

Immanuel Kant, die Entstehung der Sonnensysteme und die Vielzahl der Welteninseln

Im Jahre 1755 erschien die „Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels“ des deutschen Philosophen Immanuel Kant (1724-1804). Darin behauptete er, unser Sonnensystem sei auf natürliche Weise entstanden, als eines unter vielen. 

Immanuel Kant (1724-1804) Quelle: Wikipedia

Sterne und ihre Planeten bilden sich nach der Theorie von Kant aus Gas- und Staubwolken, die sich unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft zusammenziehen und verdichten.

Dabei beginnen sie zu rotieren, drehen sich wegen der Erhaltung des Drehimpulses immer immer schneller (wie eine sich drehende Eisläuferin, die ihre Arme anzieht) und werden gleichzeitig im Zentrum immer dichter und wärmer bis sich schließlich ein Stern bildet. Infolge der Eigenrotation formt sich um den Stern herum eine langsam abkühlende Gas- und Staubscheibe, aus der sich durch zufällige Verdichtungsprozesse und unter dem Einfluss der Schwerkraft die Planeten bilden. Die Theorie von Kant zur Entstehung von Sternen und Planeten kann inzwischen als bestätigt gelten. Bei jungen Sternen wurden immer wieder auch Gas- und Staubscheiben (protoplanetare Scheiben) entdeckt. In einigen gibt es sogar ein oder mehrere Lücken entdeckt, ein deutlicher Hinweis auf bereits fertige Planeten, die alle Materie auf ihrer Umlaufbahn eingesammelt haben.

Protoplanetare Scheiben (Proplyds) – so wie von Immanuel Kant vorhergesagt – im Orionnebel einer Sternentstehungsreaktion in unserer Milchstraße. Quelle: Hubble Telescope (http://www.spacetelescope.org/)

Ausgehend von den Beobachtungen des englischen Astronomen Thomas Wright (1711–1786), der das am Himmel sichtbare Band der Milchstraße als Querschnitt durch eine riesige rotierende Scheibe von Sternen ansah, welche sich auf Grund der Schwerkraft zusammengefunden hatte, folgerte Kant, daß die zahlreichen runden, elliptischen oder spiralförmigen Nebel, die man  damals in immer größerer Anzahl entdeckte, nichts anderes waren als ferne Welteninseln, ähnlich wie die Milchstraße. Die Milchstraße und das Universum waren also nicht dasselbe, sondern es gab viele Welteninseln (Galaxien) in einem Universum, das unendlich viel größer war als zuvor gedacht.

Mit seiner Theorie von den vielen Welteninseln vertrat Kant damals eine Minderheitenmeinung. Die meisten Astronomen hielten die Nebel für Objekte innerhalb der Milchstraße. Man dachte an von nahen Sternen beschienene Gas- und Staubwolken oder an Planetensysteme in ihrer Entstehungsphase  (protoplanetare Scheiben). Erst mehr als 150 Jahre später wurden die revolutionäre Welteninseltheorie von Kant durch Beobachtungen bestätigt, als es dem Astronomen Edwin Hubble gelang, den Spiralnebel Andromeda (und später auch andere Galaxien) in Einzelsterne aufzulösen (s.u.).  

1826 Wilhelm Olbers und das Paradoxon des ewigen unendlichen Weltalls

Im Jahre 1826 fiel dem deutschen Astronomen Heinrich Wilhelm Olbers (1758-1840) bei der Betrachtung des Weltalls ein verblüffender Widerspruch auf:  Wenn das Weltall tatsächlich únendlich und ewig war, wie die meisten Astronomen seinerzeit annahmen, dann musste der Nachthimmel doch eigentlich gleißend hell sein. In einem unendlichen und ewigen Weltall hätte das Licht jedes Sterns die Erde längst erreicht, da ja schon unendlich viel Zeit verstrichen ist. Der Himmel wäre dann überall so hell wie die Oberflächen der Sterne selbst.

Das Olbers Paradoxon des unendlichen und ewigen Weltalls. Quelle: Wikipedia

Das war aber ganz offensichtlich nicht der Fall. Eine naheliegende Erklärung für dieses Olberssche Paradoxon war die Annahme, daß das Universum eben nicht unendlich ist und auch noch nicht ewig existiert. Auch dunkle Staub- und Gaswolken, die das Sternenlicht vielerorts vielleicht abschirmen waren kein Ausweg, denn Strahlung absorbierende Materie heizt sich auf und beginnt ebenfalls zu strahlen, irgendwann sogar mit derselben Helligkeit wie die Sterne.

1838: Friedrich Wilhelm Bessel und die Parallaxe von 61 Cygni

Der deutsche Astronom Friedrich Wilhelm Bessel an der Königsberger Sternwarte schaffte es im Jahre 1838 erstmals die Entfernung zu einem anderen Stern zu bestimmen. Dabei bediente er sich der Parallaxenmethode. Das Prinzip dieser Methode lässt sich anhand eines von jedermann leicht durchzuführenden Experiments gut veranschaulichen. 

Friedrich Wilhelm Bessel (1784-1846). Quelle: Wikipedia

Man strecke einen Arm aus und peile über den Daumen zunächst mit dem linken Auge (während man das rechte Auge geschlossen hält) ein weiter entferntes Objekt der Umgebung an. Dann schließe man das linke Auge und peile mit dem rechten Auge. Der Daumen springt nach links, weist also nicht mehr auf das ursprünglich angepeilte Objekt. Je weiter der Arm ausgestreckt wird, je weiter entfernt also der Daumen, umso geringer der Daumensprung und umgekehrt.

Das linke und das rechte Auge sehen die Umgebung aus einem leicht unterschiedlichen Blickwinkel. Diese Winkeldifferenz, die Parallaxe ist von der Entfernung der wahrgenommenen Objekte abhängig und damit auch die Grundlage der räumlichen Wahrnehmung. Aus den Bildern des linken und des rechten Auges konstruiert das Gehirn anhand der unterschiedlichen Winkeldifferenzen der unterschiedlich weit entfernten Objekte einen räumlichen Eindruck der Umgebung.

Da die Erde die Sonne in einem Jahr umrundet, muß sich im Laufe eines halben Jahres die wahrgenommene Position eines nahen Sterns gegenüber weiter entfernten Hintergrundsternen sichtbar ändern. Dabei entspricht der nahe Stern dem Daumen bei unserem kleinen Versuch, die Hintergrundsterne entsprechen den weiter entfernten Objekte der Umgebung vor denen der Daumen hin und her springt, und der Erdbahndurchmesser entspricht dem Abstand zwischen linkem und rechtem Auge. Die gemessene Winkeldifferenz der Positionsänderung des nahen Sterns, wird als Sternenparallaxe bezeichnet. Je weiter entfernt ein Stern, umso geringer die Parallaxe.

Die einfache Parallaxenmethode zur Entfernungsbestimmung von Sternen. Quelle: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/ (verändert)

Bessel bestimmte die Parallaxe des Doppelsterns 61 Cygni im Sternbild Schwan. 61 Cygni zeigt eine deutliche Eigenbewegung gegenüber seinen Nachbarsternen am Himmel, bei denen es sich also um weiter entfernte Hintergrundsterne handeln muß, eben deshalb ohne erkennbare Eigenbewegung.

 Der Doppelstern 61 Cygni im Sternbild Schwan. Quelle: Wikipedia und http://www.epsilon-lyrae.de/

Bessel ermittelte eine Entfernung zu 61 Cygni von 10,5 Lichtjahren, was beinahe dem heutigen Wert von 11,4 Lichtjahren entspricht.

Mit der Parallaxenmethode stieß man jedoch sehr schnell an Grenzen, denn bei Entfernungen über 100 Lichtjahren wurde die Parallaxe unmeßbar klein.

Mit einer modifizierten Parallaxenmethode, der Sternstromparallaxe kommt man schon deutlich weiter. Allerdings funktioniert die Methode nur bei sich bewegenden offenen Sternhaufen, wie den Hyaden im Sternbild Stier (ca. 350 Sterne).

 

Der Bewegungssternhaufen der Hyaden im Sternbild Stier. Quelle: Far Away Worlds (erstellt mit Stellarium)

Die Mitglieder eines solchen Sternhaufens bewegen sich auf parallelen Bahnen, die aus perspektivischen Gründen (ähnlich wie zwei parallelen Eisenbahnschienen zum Horizont hin) scheinbar auf einen gemeinsamen Fluchtpunkt zulaufen. Dieser liegt im Falle der Hyaden beim roten Riesenstern Beteigeuze im Sternbild Orion. Damit kennt man die Richtung der wahren räumlichen Bewegung, also auch der wahren Geschwindigkeit. Die von dem Beobachter weg oder auf ihn zugerichtete Bewegung (Radialgeschwindigkeit) lässt sich unter Nutzung des Doppler-Effekts bestimmen. Bei einem Stern, der sich relativ auf den Beobachter zubewegt, treffen die Wellenberge der elektromagnetischen Strahlung in kürzeren Abständen ein, mit einer höhern Frequenz und einer kürzeren Wellenlänge (Blauverschiebung) als wenn der Stern ruht. Entfernt sich der Stern, so verhält sich das genau umgekehrt (Rotverschiebung). Das Ausmaß der Blau- oder Rotverschiebung zeigt die Geschwindigkeit mit welcher sich der Stern nähert oder entfernt. Diesen Dopplereffekt kann man auch im Alltag erleben. Der Ton des Martinshorns eines vorbeifahrenden Polizei oder Krankenwagens klingt höher (höhere Frequenz) als im Stand, solange sich das Fahrzeug nähert, aber tiefer (niedrigere Frequenz), wenn es sich wieder entfernt.

Aus der Radialgeschwindigkeit und der wahren Bewegung (wahre Geschwindigkeit) des Sterns ergibt sich die Geschwindigkeit am Himmel senkrecht zur Beobachtungsrichtung (Tangentialgeschwindigkeit) . und damit auch die Eigenbewegung des Sterns innerhalb eines bestimmten Zeitraumes. Diese Eigenbewegung erscheint in Abhängigkeit von der Entfernung des Sterns unter einem mehr oder weniger kleinem Winkel, der für mehrere Sterne des Sternhaufens gemittelt die Sternstromparallaxe ergibt. Eine kleine Sternstromparallaxe weist auf eine große Entfernung des Sternhaufens hin, eine große Sternstromparallaxe zeigt hingegen eine relativ geringe Entfernung an.

Sternstromparallaxe (Erklärungen im Text). Quelle: Far Away Worlds

Mit der Länge der Beobachtungszeit werden die Parallaxen der einzelnen Haufensterne immer größer. Damit nimmt die Genauigkeit der Sternstromparallaxen-Methode zu und natürlich auch die Größe der bestimmbaren Entfernungen.

1909-1913 Das Hertzsprung – Russel Diagramm

Die Sterne im Universum weisen eine große Vielfalt auf: Es gibt hell leuchtende oder nur schwach glimmende Sterne, darunter viele Einzelsterne, aber noch mehr Doppelsterne, Dreifachsterne, ja sogar Mehrfachsterne, die einander (um einen gemeinsamen Schwerpunkt) umkreisen. Sterne haben viele verschiedene Farben, abhängig von ihrer Oberflächentemperatur: Von den eher „kühlen“ roten Sternen, über orangene, gelbe, grüne bis hin zu den ganz „heißen“ weißen und blauen Sternen.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts  kamen die beiden Astronomen Ejnar Hertzsprung und Henry Norris Russel unabhängig voneinander auf die Idee, die absolute Leuchtkraft der Sterne in Bezug auf ihre Farbe (Hertzsprung 1909) und später dann noch genauer auf ihr Farbspektrum(Russel 1913) in einem Diagramm grafisch darzustellen. 

Die Analyse der Farben des Sternenspektrums war schon damals ein nicht mehr wegzudenkendes Verfahren der Astronomie. Bei der Spektralanalyse wird das Licht eines Sternes mit einem Prisma oder Beugungsgitter in sein Farbspektrum, also in seine verschiedenen elektromagnetischen Wellenlängen zerlegt. Das Spektrum erlaubt vor allem genaue Rückschlüsse auf die Temperatur der Lichtquelle. Je höher die Temperatur, umso mehr überwiegt das kurzwellige, blauviolette Ende des Spektrums, je niedriger die Temperatur, umso mehr das rote Ende. Die feinen dunklen Linien im Spektrum (Fraunhofer-Linien) kommen durch Atome in der Sternatmosphäre zustande, die das über alle Wellenlängen kontinuierliche Sternenlicht bei bestimmten Wellenlängen absorbieren und dann zerstreuen. Die Fraunhofer-Linien lassen so genaue Rückschlüsse auf die elementare Zusammensetzung der Sternatmosphäre und damit auch des Sterns zu.

Spektralklassen und Hertzspung-Russel-Diagramm (HRD). Quelle: ESA, Far Away Worlds

Die meisten Sterne liegen im Hertzsprung-Russel Diagramm auf der von links oben nach rechts unten verlaufenden Hauptreihe. Unsere Sonne  (Spektraltyp G) liegt in der Mitte der Hauptreihe, die roten Zwergsterne (Spektraltyp M) unten rechts, die massereichen Sterne (Spektraltypen O und B) oben links.

In der Zeit als Hertzsprung und Russel ihr Diagramm vorstellten, wusste noch niemand genau, wodurch unsere Sonne und die anderen Sterne ihre Energie eigentlich gewinnen. Nachdem die Astronomen in den 1920er und 1930er Jahren aber herausgefunden hatten, daß Sterne ihre Energie aus Kernfusionsprozessen gewinnen – wobei Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen (Wasserstoffbrennen) – vermuteten sie, daß die Hauptreihe des Hertzsprung-Russel Diagramms verschiedene Sternentwicklungsphasen widerspiegelten: 

Durch das fortlaufende Wasserstoffbrennen im Inneren eines Sterns reichert sich dort das schwerere Helium immer mehr an. In dem  durch und durch konvektiven Stern werden Helium und Wasserstoff aber so gut durchmischt, daß es niemals an Wasserstoff für eine Fortsetzung der Kernfusion im Inneren des Sterns mangelt. Ja mehr noch, die höhere Dichte durch den wachsenden Heliumanteil verdichtet den alternden Stern, sorgt so für steigende Temperaturen und damit auch für eine erhöhte Kernfusionsrate. Ältere Sterne verbrauchen deshalb ihren nuklearen Brennstoff sehr schnell , verlöschen bald, kühlen dann ab und werden dabei immer röter. Junge Sterne erscheinen dagegen hell und blauweiß. Sie befanden sich oben links auf der Hauptreihe. Im Alter verlieren sie an Leuchtkraft, wandern nach unten rechts auf der Hauptreihe und  werden blassrot. Soweit die Theorie. Allerdings gab das Hertzsprung-Russel-Diagramm nach wie vor  Rätsel auf, denn es gab auch Sterne abseits der Hauptreihe. So hatte man rote Sterne mit hoher Leuchtkraft oberhalb und blauweiße, äußerst leuchtschwache Sterne unterhalb der Hauptreihe gefunden.

1912: Henrietta Swan Leavitt und die Leuchtkraft der Cepheiden

Seit 1902 studierte die amerikanische Astronomin Henrietta Swan Leavitt (1868-1921) am Observatorium der Harvard University Sterne mit periodisch veränderlicher Leuchtkraft (Veränderliche) in der Großen und Kleinen Magellanschen Wolke, zwei kleinen irregulären Nachbargalaxien der Milchstraße (s.u.).

Henrietta Swan Leavitt (1868-1921) Quelle: Wikipedia

Zur damaligen Zeit galten die Magellanschen Wolken noch nicht als eigenständige Galaxien, sondern lediglich als Sternansammlungen innerhalb der Milchstraße. Im Jahre 1912 entdeckte Leavitt bei einem bestimmten Typ veränderlicher Sterne, den Cepheiden, einen direkten Zusammenhang zwischen der Periodendauer und der Leuchtkraft. Je länger die Periode, je langsamer der Stern also pulsierte, umso größer war die Leuchtkraft (im Maximum und Minimum der Periode) und umgekehrt.

Perioden-Leuchkraft-Beziehung der Cepheiden für das Helligkeitsmaximum und -minimum. Man erhält zwei Geraden, also eine lineare Beziehung, wenn Periodendauer und Leuchkraft logarithmisch aufgetragen werden. Quelle: Leavitt (1912).

Cepheiden sind hell leuchtende Riesensterne, die mit großen Teleskopen über Millionen Lichtjahre auszumachen sind. Die Perioden-Leuchtkraft-Beziehung der Cepheiden lässt sich zur Entfernungsmessung  über solch große Distanzen nutzen, da sich aus der Periodendauer unmittelbar die absolute Leuchtkraft dieser Sterne ergibt. Vergleicht man die so ermittelte absolute mit der entfernungsabhängigen scheinbaren Helligkeit, so kann man auf die Entfernung der Cepheiden schliessen, denn die wahrgenommene Helligkeit eines Sternes sinkt mit dem Quadrat seiner Entfernung. 

Pulsation und Helligkeit eines Cepheiden. Quadratisches Abstandsgesetz. Quellen: http://www.mso.anu.edu.au/ und http://leifi.physik.uni-muenchen.de/ (verändert)

Bei einer Verdopplung der Entfernung verteilt sich die gleiche Strahlung auf die vierfache Kugelfläche, bei einer Verdreifachung auf die neunfache usw.. Allerdings muss die Entfernungsmessung anhand der Perioden-Leuchtkraft-Beziehung noch kalibriert werden, indem man die Entfernung mindestens einiger Cepheiden mit einer unabhängigen Meßmethode bestimmt und damit dann auch deren absolute Helligkeit  kennt. Allerdings gab es keine Cepheiden, die nah genug waren, um ihre Entfernung mit der einfachen Parallaxenmethode zu bestimmen.

Durch den Vergleich der absoluten Helligkeiten der Hauptreihensterne der Hyaden -die man aus der mit der Sternstromparallaxe gemessenen  Entfernung dieses offenen Sternhaufens herleiten konnte- mit den scheinbaren Helligkeiten der Hauptreihensterne der Magellanschen Wolken konnte man direkt deren tatsächliche Entfernung abschätzen. Damit waren auch die absoluten Helligkeiten der Cepheiden bekannt und die Perioden-Leuchtkraft- Beziehung der Cepheiden konnte kalibriert werden.

1919 Eddington zeigt Lichtablenkung im Gravitationsfeld der Sonne und beweist damit die Krümmung des Raumes

Der englische Astronom Arthur Stanley Eddington (1882-1944) leitete im Jahre 1919 eine Expedition auf die Vulkaninsel Príncipe im Golf von Guinea in Westafrika, um eine totale Sonnenfinsternis zu beobachten, die am 29. Mai 1919 solte. Eddington wollte die Lichtablenkung durch das Schwerefeld der Sonne nachweisen, welche der Physiker Albert Einstein (1879-1955) in seiner Allgemeine Relativitätstheorie vorausgesagt hatte. Einstein beschrieb darin, wie Materie und Energie, die einander äquivalent sind, gemeinsam Raum und Zeit beeinflussen. Raum und Zeit bilden dabei eine Einheit, die 4-dimensionale Raumzeit. Eine Masse krümmt, in Abhängigkeit von ihrer Größe, den sie umgebenden Raum und verlangsamt in ihrem Einflußbereich die Zeit .

Eine Masse von der Größe der Sonne müsse daher in der Lage sein, so Einstein, den sie umgebenden Raum deutlich meßbar zu krümmen. Sterne in unmittelbarer Nähe der Sonne müssten dann gegenüber ihrer wahren Position am Himmel ein wenig versetzt erscheinen, weil ihr Licht durch die Krümmung des Raumes abgelenkt wird. Dieser Effekt liess sich aber nur bei einer totalen Sonnenfinsternis ausmachen, da die Sonne normalerweise alle (und erst recht unmittelbar benachbarte) Sterne hoffnungslos überstrahlt.

Arthur Eddington (1882-1944) lieferte den ersten direkten Beweis für die Krümmung des Raumes und damit für die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins. Quelle: Wikipedia, American Scientist

Eddington gelang es nun bei der Sonnenfinsternis vom 29.Mai 1919 eine Verschiebung der scheinbaren Position der Sterne nahe der Sonne in genau dem von Einstein vorhergesagtem Umfang nachzuweisen. Damit lieferte er den ersten direkten Beweis für die Krümmung des Raums und die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins.

1923: Edwin Hubble und die Expansion des Weltalls 

In den Jahre 1922 und 1923 untersuchte der Astronom Edwin Hubble mit dem damals weltgrößten 2,5m Hooker-Spiegelteleskop am Mount Wilson Observatorium den Andromedanebel (M31, Nr.31 in dem Katalog der Sternhaufen, Galaxien und Nebel des französichen Astronomen Charles Messier), einen Spiralnebel, den man  schon mit bloßem Auge am Himmel erkennen kann. Die Natur der Spiralnebel war seinerzeit umstritten.  Einige Astronomen meinten, es handele sich um ferne Sternansammlungen, ähnlich unserer Milchstraße. Die meisten Astronomen betrachteten die Spiralnebel jedoch nach wie vor als  Objekte innerhalb unserer Milchstraße (s.o.). 

Hubble gelang es nun aber, den Andromedanebel M31 eindeutig in Einzelsterne aufzulösen. Unter den einzeln aufgelösten Sternen entdeckte er auch einige veränderliche, regelmäßig pulsierende Cepheiden.

Mit Hilfe der Cepheiden konnte Hubble nun erstmals auch die Entfernung zum Andromedanebel bestimmen. Sie betrug volle 1 Million Lichtjahre, also  weit außerhalb unserer Milchstraße. Damit war die Sache entschieden. Der aus vielen Einzelsternen bestehende Andromedanebel war eine eigenständige Galaxie, eine Welteninsel ähnlich unserer Milchstraße.

Andromeda Galaxy (M31) Source: Palomar Observatory

Durch die Hubbles Entdeckung der wahren Natur der Spiralnebel war das Weltall auf einmal plötzlich viel größer geworden.

Hubble unterschätzte die Entfernung des Andromedanebels sogar noch, denn es stellte sich später heraus, daß es zwei unterschiedliche Cepheidentypen mit unterschiedlichen Perioden-Leuchtkraft-Beziehungen gibt. Kalibriert man dementsprechend neu, so ergibt sich eine Entfernung von rund 2,2 Millionen Lichtjahren zur Andromeda-Galaxie. An der grundsätzlichen Richtigkeit der Erkenntnisse Hubbles ändert das aber nichts.

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Edwin Hubble (1889-1953) and 2,5m (100 inch) Hooker-Teleskope at Mt.Wilson Observatory Source: Wikipedia, http://www.astro.caltech.edu/

Hubble entwickelte auch ein System der Klassifizierung von Galaxien, das diese nach ihrem optischen Erscheinungsbild in Form eines Stimmgabeldiagramms ordnete. Es gab die elliptischen Galaxien am Griff der Stimmgabel. Sie waren rund oder eher langgestreckt (E0-E7). Dort wo die Zinken mit den Spiralgalaxien abzweigten war eine flache Scheibe (S0), eine Spirale ohne erkennbare Arme. Die Spiralgalaxien unterteilten sich in gewöhnliche Spiralen (Sa-Sc) und in Balkenspiralen (SBa-SBc), die sich jeweils in der Ausprägung ihres Kernbereichs und ihrerSpiralarmen unterscheiden. Ausserhalb des eigentlichen Stimmgabeldiagramms ordnete Hubble die irregulären Galaxien ein. Dabei handelte es sich um Sternansammlung ohne erkennbare Ordnungsstruktur.

Hubble´s Stimmgabel-Diagramm zur Klassifizierung der Galaxien. Es gibt elliptische und Spiralgalaxien, daneben aber auch noch irreguläre Galaxien. Quelle: Wikipedia

Hubble vermutete, daß sich hinter dem Stimmgabeldiagramm ein Entwicklungsprozess der Galaxien verbirgt, konnte dafür aber keine Beweise finden.

Hubble gelang noch eine weitere Entdeckung, die unser Bild vom Weltall entscheidend veränderte. Er fand eine Beziehung zwischen den Entfernungen der Galaxien und dem Dopplereffekt in ihren Spektren. Fast alle Galaxien zeigten eine Rotverschiebung in ihren Spektren, die umso größer war je größer die Entfernung. Mit anderen Worten nahezu alle Galaxien entfernten sich von unserer Milchstraße, wobei die Fluchtgeschwindigkeit mit  wachsender Entfernung zunahm. War am Ende, wenn nicht die Erde, so vielleicht doch immerhin unsere Milchstraße der Mittelpunkt des Weltalls?

Hubble fand einen gesetzmäßigen Zusammenhang zwischen den Entfernungen der Galaxien und ihrer Fluchtgeschwindigkeit, der auf eine Expansion des Weltalls hindeutet. Quelle: Edwin Hubble (http://www.pnas.org/)

Doch dem ist nicht so, wie man sich anhand eines einfachen Modells schnell klar machen kann. Der Hefeteig eines Rosinenkuchens stehe für das Weltall und die Rosinen für darin befindlichen Galaxien. Beim Aufgehen dehnt sich der Teig in alle Richtungen aus, so daß auch die Abstände zwischen den Rosinen größer werden. Aus der Sicht jeder beliebig herausgegriffenen Rosine eilen alle anderen Rosinen davon und zar umso schneller, je weiter sie entfernt sind. Das muss auch so sein, da mit wachsender Entfernung sich mehr Teig zwischen ihnen befindet, der sich ausdehnen kann. Genauso ist es auch beim Weltall. Der Raum zwischen den Galaxien dehnt sich aus und damit auch das gesamte Weltall (Expansion des Weltalls). Mögliche Beobachter in jeder dieser Galaxien wähnen sich im Mittelpunkt des Weltalls, da sich aus ihrer Sicht alle anderen Galaxien entfernen. Da alle Galaxien gleichberechtigt sind gibt es aber überhaupt keinen wirklichen Mittelpunkt des Weltalls. 

Wie oben beschrieben beobachtet man bei nahezu allen Galaxien eine Rotverschiebung. Aber warum nicht bei allen? Galaxien schliessen sich über begrenzte Entfernungen infolge ihrer gegenseitigen Masseanziehung (Gravitation) zu Gruppen und Haufen zusammen. So bildet unsere Milchstraße mit der Andromedagalaxie (M31) und anderen Nebeln die „lokale Gruppe“. Gruppenmitglieder nähern sich dabei desöfteren sogar einander an. Deshalb beobachtet man unter den näheren Galaxien auch  immer wieder einmal eine Blauverschiebung im Spektrum. Im größeren Maßstab betrachtet, entfernen sich jedoch alle Galaxien voneinander und man misst regelmäßig eine Rotverschiebung.

Große Unsicherheiten gab es aber bei der Entfernungsbestimmung der Galaxien. Bei weiter entfernten Galaxien waren die Cepheiden nicht mehr auszumachen und Hubble musste auf andere, höchst unsichere Methoden ausweichen. So gab es beispielsweise die Möglichkeit die scheinbare Helligkeiten von Gaswolken oder Sternexplosionen (Novae und Supernovae) in weit entfernten Galaxien mit der Helligkeit ähnlicher Erscheinungen in näheren Galaxien zu vergleichen, deren Entfernung man bereits kannte. Bei weit entfernten Galaxienhaufen machte sich Hubble die Tatsache zu Nutze, daß es dort immer eine besonders massereiche elliptische Galaxie im Zentrum gab. Hubble ging davon aus, daß sie eine Obergrenze für die mögliche Masse von Galaxien darstellten, also die maximal mögliche Galaxienhelligkeit besaßen. Unter dieser Annahme ließen sie sich als Standardkerzen für die Entfernungsbestimmung nutzen. 

Trotz all dieser Unsicherheiten, an der von Hubble entdeckten Expansion des Universums war kaum zu zweifeln. 

Das Universum erschien nun erstmals nicht mehr statisch und zeitlos, sondern es war dynamisch, es hatte eine Geschichte und veränderte sich dabei. Rechnete man die Expansion des Universums rückwärts in die Vergangenheit, so schrumpfte es immer mehr zusammen bis irgendwann einmal Raum und Materie in einem Punkt vereint waren. Das Universum musste also einen Anfang haben. Diese Überlegungen führten dann direkt zur  Theorie vom Urknall.

In den darauf folgenden Jahren versuchte Hubble herauszufinden, ob das Weltall offen war, sich also immer weiter ausdehnte, oder ob die Expansion irgendwann zum Stillstand kam, um sich dann umzukehren, das Weltall also geschlossen war. Die entscheidende Frage war: Gab es genug Materie und Energie, so daß die Gesamtschwerkraft ausreichte, um das Universum zu einer geschlossenen Raum-Zeit-Blase zu krümmen oder nicht?

Um das heraus zu bekommen versuchte Hubble zunächst die Anzahl der Galaxien als Funktion ihrer Entfernung  zu bestimmen. Dabei ging er davon aus, daß im Durchschnitt die scheinbare Helligkeit der Galaxien mit ihrer Entfernung abnahm. Die über- oder unterdurchschnittlich hellen Galaxien würden sich bei einer ausreichend großen Anzahl herausmitteln.

Nahm die Anzahl der Galaxien überproportional mit ihrer Entfernung zu, so war das ein Hinweis auf ein positiv gekrümmtes, also geschlossenes Weltall. War die Zunahme dagegen unterproportional, so wies das auf ein negativ gekrümmtes, offenes Weltall hin. Eine proportional mit der Entfernung zunehmende Galaxienzahl deutete auf ein flaches Weltall, das lediglich in der Nähe größerer Massen lokal begrenzt gekrümmt ist.

Zum besseren Verständnis eine 2-dimensionale Analogie: Eine Kugeloberfläche ist positiv gekrümmt, ein Pferdesattel (Hyperboloid) dagegen negativ. Eine Steinplatte ist flach, hat also die Krümmung Null. Hier gelten im gegensatz zu den beiden anderen Fällen die Gesetze der euklidische Geometrie (z.B. Winkelsumme im Dreieck =180°).

Das Problem war auch hier die Entfernungsbestimmung der Galaxien, die mit großen Unsicherheiten behaftet war. Hubble meinte aber deutliche Hinweise auf ein geschlossenes Universum gefunden zu haben.

1948 George Gamov und der Urknall

Der russisch-US-amerikanische Astrophysiker George Gamov (1904-1968) veröffentlichte im Jahre 1948 eine Arbeit über den physikalischen Zustand des Universums in seinen frühesten Anfängen. Gamov rechnete das expandierende Universum rückwärts und ließ die Materie dabei immer dichter und heißer werden. Schließlich zerfielen die Atome wegen der ungeheuren Energiedichte in ihre Bestandteile und bildeten ein Plasma aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Dann ließ er die Zeit wieder vorwärts laufen. Wenn sich das winzige, extrem dichte und heiße Universum ausdehnte und dabei etwas abkühlte zerfielen die durch Kernverschmelzung gebildeten Wasserstoff- und Heliumkerne nicht mehr. Bei weiterer Abkühlung wurden auch die Elektronen eingefangen und es bildeten sich Wasserstoff- und Heliumatome im Verhältnis 10:1, genauso wie man sie auch im wirklichen Universum vorfand. Das Universum war lichtdurchlässig geworden, da das Licht nicht mehr durch freie Elektronen gestreut wurde. Insbesondere das genau richtige Verhältnis zwischen Wasserstoff und Helium, die gemeinsam 99,9% der Materie im Universum ausmachten, sprach für das heiße Urknallmodell von George Gamov.

George Gamow (1904-1968) und sein Urknallmodell. Quellen: http://www.nndb.com/ und http://physics.uoregon.edu/

Allerdings fehlten noch 0,1%, die schweren Elemente, von den Astronomen auch Metalle genannt. Diese konnten nicht mehr entstehen, weil das Universum in Gamovs Modell so schnell expandierte und abkühlte, daß es für die dazu notwendigen Kernverschmelzungsreaktionen nicht mehr reichte. Ohne schwere Elemente gab es aber keine Planeten und erst Recht kein Leben im Universum. Es blieb nur die Möglichkeit, daß sich die schweren Elemente später bilden, vielleicht in den Sternen?

1953 Sandage und Schwarzschild lösen das Rätsel der Sternentwicklung

In den früher 1950er Jahren untersuchte der junge amerikanische Astronom Allan Rex Sandage am Mt. Palomar Observatorium im Rahmen seiner Doktorarbeit den Kugelsternhaufen M3. Er arbeitete für ein Projekt von Martin Schwarzschild, einem Experten für den Aufbau und die Entwicklung von Sternen. Ziel des Projekts war die Altersbestimmung von Kugelsternhaufen. Dafür musste man verstehen wie Kugelsternhaufen sich im Laufe der Zeit entwickeln.

Kugelsternhaufen sind mehr oder weniger kugelförmige Ansammlungen von Sternen, die durch gegenseitige Massenanziehung (Gravitation) eng aneinander gebundenen sind. Die Anzahl ihrer Sterne reicht von rund 100.000 bis zu einigen Millionen. Die Kugelsternhaufen umkreisen auf konzentrischen Bahnen – ohne bevorzugte Orientierung im Raum – das Zentrum unserer Milchstraße und auch der meisten anderen Galaxien.  

Kugelsternhaufen zählte man schon damals mit zu den ältesten Objekten im Weltall. Gelang es ihr Alter herauszufinden, so kannte man auch das Mindestalter des gesamten Weltalls. 

Die ganz überwiegende Anzahl aller Sterne in Kugelsternhaufen gehören zu den relativ kleinen und kühlen, daher nur rotglühenden Sternen der  Population-II. Innerhalb der Kugelsternhaufen findet man kaum Gas- und Staubwolken, so daß sich hier keine neuen Sterne bilden können. Offenbar wurden Gas und Staub schon vor langer Zeit bei Sternengeburten nahezu vollständig verbraucht.

In den Armen der Spiralgalaxien findet man dagegen viele heiße und blauleuchtende Sterne der Population I, eingebettet in Gas- und Staubwolken. Ständig werden neue Sterne gebildet, so daß sich die Sternpopulation der Spiralgalaxien laufend erneuert. 

Allan Sandage (geboren 1926) Quelle: http://www.phys-astro.sonoma.edu/BruceMedalists/

Sandage erstellte für seine Doktorarbeit ein Hertzsprung-Russel-Diagramm (HRD) einer großen Anzahl von Sternen des Kugelsternhaufens M3. Dabei kam ein Diagramm heraus, wie er es noch nie zuvor gesehen hatte. Die Hauptreihe des HRD brach mittendrin ab und endete schon oberhalb der gelben Zwergsterne. Dann folgte ein Knick nach rechts oben, hin zu einem Ast roter Riesensterne. Sandage fand keine Erklärung für dieses seltsame Diagramm. Er hatte gelernt, daß alte Sterne rötlich erscheinen, da sie auf der Hauptreihe von links oben nach rechts unten gewandert waren. Mit einem Knick in der Hauptreihe konnte er so nichts anfangen.aly:

Ein Knick in der Hauptreihe des Kugelsternhaufens M3. Quellen: A Study of Globular Cluster M3, Allan Sandage 1953 (links), http://www.astro.caltech.edu/palomar/ (rechts)

Doch Schwarzschild hatte schon seinerzeit ganz andere Ideen über die Sternentwicklung. Für ihn stand fest, daß es die eigene Schwerkraft (Eigengravitation) eines Sternes war, die letztendlich alle Kernfusionsprozesse in seinem Inneren anfachte, denn nur sie sorgte dort für den notwendigen hohen Druck und damit auch für ausreichende Temperaturen. Wenn das so war, dann musste es logischerweise auch einen direkten Zusammenhang zwischen der Masse eines Sternes und seiner Kernfusionsrate geben. Ein massereicher Stern lebte intensiver, aber kürzer als ein massearmer Stern, denn infolge seiner höheren Kernfusionsrate  verbrauchte er seinen Kernbrennstoff  wesentlich schneller.

Als Schwarzschild nun das rätselhafte Hertzsprung-Russel-Diagramm von M3 zu sehen bekam, passte für ihn alles perfekt zusammen.

Die Hauptreihe spiegelte nicht die unterschiedlichen Stadien der Sternentwicklung wider, sondern die unterschiedlichen Ausgangsmassen der Sterne.

Massereiche Sterne erschienen hell und blauweiß (oben links auf der Hauptreihe), massearme Sterne dagegen leuchteten nur schwach und erschienen rötlich (unten rechts auf der Hauptreihe). Mit zunehmendem Alter einer Sternpopulation verließen immer mehr Sterne die Hauptreihe des Hertzsprung-Russel-Diagramms, je nach dem wie schnell ihr Kernbrennstoff zur Neige ging. Es begann mit den massereichen blauweißen Sternen der Spektralklassen O und B, es folgten die Spektralklassen A,F und G (hellgelbe und gelbe Zwergsterne), dann die Spektralklasse K (orangene Zwergsterne) und ganz zum Schluß die massearmen roten Zwergsterne der Spektralklasse M.

Im Kugelsternhaufen waren alle Sterne in etwa zur selben Zeit entstanden und brannten dann nach und nach aus. Neue Sterne konnten ja nicht mehr entstehen, weil es an den dafür notwendigen Mengen an Gas und Staub fehlte. Der Grund für den Abruch der Hauptreihe war somit ganz einfach: Da Kugelsternhaufen schon sehr alt waren, waren die massereicheren Sterne längst ausgebrannt und hatten die Hauptreihe verlassen. Sie bildeten den Ast der roten Riesen oberhalb der Abknickstelle. Die auf der Hauptreihe noch verbliebenen Sterne waren umso masseärmer sein, je älter der Kugelsternhaufen bereits war. Wenn es gelang, den genauen zeitlichen Entwicklungsgang der Sterne in Abhängigkeit von ihrer Masse zu berechnen, so war es möglich das Alter eines Kugelsternhaufens aufgrund ihres Hertzsprung-Russel-Diagramms zu bestimmen. Daraus ließ sich die Masse der Sterne ablesen, welche direkt unterhalb der Abknickstelle der Hauptreihe lagen. Deren Alter entsprach dann auch das Alter des Kugelsternhaufens.

Schwarzschild und Sandage versuchten nun die Sternentwicklung in Abhängigkeit von der Masse bis zum Stadium des roten Riesen zu berechnen. Mit den vergleichsweise langsamen Computern der damaligen Zeit war das eine sehr zeitraubende Angelegenheit.

Der Stern wurde bei den Berechnungen als eine Anordnung von übereinanderliegenden dünnen Kugelschalen betrachtet. Mit dem Radius als Variable beschrieben mehrere Differentialgleichungen den Stern: Zwei Gleichungen für die Schichtung des Druckes infolge der Eigengravitation und die Verteilung der Masse, eine weitere Gleichung für die Energiebilanz und damit auch die Leuchtkraft und dann noch eine Gleichung für die Temperaturschichtung. Hinzu kamen noch Gleichungen, welche die Wechselwirkungen darstellten. So sind beispielsweise Druck, Dichte und Temperatur eng miteinander gekoppelt; die Energieerzeugung hängt von der Temperatur und Dichte ab, und ob die Energie durch Strahlung oder Konvektion transportiert wird, ist eine Frage der Opazität (Strahlungsduchlässigkeit) in der jeweiligen Materieschicht.

Damit hatte man aber erst den Zustand des Sternes zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt ausgerechnet. Um aber die Sternentwicklung zu verstehen, musste man diese Zustandrechnung für beliebig viele ananandergereihte Zeitpunkte wiederholen. Die Ergebnisse einer einzelnen Berechnung gingen dabei in die jeweils nachfolgende Berechnung mit ein.

Martin Schwarzschild (1912-1997) Quelle: http://www.phys-astro.sonoma.edu/BruceMedalists/

Nach dem Modell von Schwarzkopf und Sandage finden die Kernfusionsreaktionen (Wasserstoffbrennen) in einem Stern nur innerhalb des Kernbereichs statt, weil nur hier Druck und Temperatur ausreichend hoch sind. Sterne sind nicht voll konvektiv, wie bis dahin angenommen, sondern untergliedern sich in Kern und Hülle zwischen denen kaum Materie ausgetauscht wird. Der Energietransport nach außen geschieht deshalb nicht durch Konvektion sondern durch Strahlung. Der Strahlungsdruck sorgt gleichzeitig für ein inneres Gleichgewicht im Stern, da er der Eigengravitation des Sternes entgegenwirkt, welche ansonsten den Stern in sich zusammenstürzen lassen würde. Erst knapp unterhalb der Sternoberfläche funktioniert der weitere Energietransport dann über eine konvektive Schicht. 

Infolge des (fast) fehlenden Stoffaustausches zwischen Kern und Hülle bei einem  nichtkonvektiven Stern wird kein neuer Kernbrennstoff aus darüberliegenden Schichten nachgeliefert, wenn im Kern der Wasserstoff verbrannt wird. Ist der Kernbrennstoff  schließlich aufgebraucht, so erlischt das Wasserstoffbrennen im Kern und der Strahlungsdruck lässt sofort nach. Unter dem ungeheuren Druck der nun überwiegenden Eigengravitation verdichtet sich das Innere des Sternes und wird dabei immer heißer. Bei dem Schrumpfungsprozeß des Kerns werden enorme Mengen an (potentieller) Gravitationsenergie in Form von intensiver Strahlung  freigesetzt. Hinzu kommt häufig noch die Strahlung durch das Schalenbrennen des Wasserstoffs. Dazu kommt es, wenn in der Kugelschale direkt oberhalb des erloschenen Kernes, wo ja noch reichlich Wasserstoff vorhanden ist, Dichte und Temperatur soweit ansteigen, daß das Wasserstoffbrennen (also die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium) zünden kann.

Unter der Einwirkung starken Strahlung aus dem Inneren des Sterns  bläht sich die Sternhülle gewaltig auf. Dabei verteilt sich die Strahlungsenergie auf eine überproportional anwachsende Oberfläche. So wird pro Fläche weniger Energie abgestrahlt, die Oberfläche des Sterns kühlt ab, und der Stern erscheint nunmehr rot. Als roter Riese verläßt er die Hauptreihe des Hertzsprung-Russel-Diagramms. Aufgrund des enormen Strahlungsdrucks und der deutlich verringerten  Oberflächengravitation verliert der Stern erhebliche Mengen an gasförmiger Materie. Diese wird durch die vom Stern ausgehende Strahlung ionisiert und erscheint dann als ein in vielen Farben prächtig leuchtender „planetarischer“ Nebel. Der Stern selbst schrumpft nach dem Aufbrauchen aller nuklearen Brennstoffreserven unter der Wirkung seiner Eigengravitation auf einen Durchmesser von nur einigen Tausend Kilometern zusammen. Dabei steigen die Oberflächentemperaturen zunächst stark an und der Stern erscheint weiß. Dieser weiße Zwergstern kühlt dann langsam aus.

Schwarzschild und Sandage ermittelten für unterschiedliche Ausgangsmassen jeweils den Zeitpunkt, wo der Stern die Hauptreihe verlässt und zu einem roten Riesen wird. Damit konnten sie nun das ungefähre Alter von Kugelsternhaufen ermitteln und damit auch auf das Mindestalter des Universums schließen. Schwarzschild und Sandage kamen auf einen Wert von mindestens 3,2 Milliarden Jahren.

Sandage verfolgte aber noch eine weitere Strategie, um das Alter des Universums zu ermitteln. Ausgehend von der Rotverschiebung der meisten Galaxien konnte man auf die Geschwindigkeit schliessen, mit der sie sich voneinander entfernten. Das war ja eine der entscheidenden Entdeckungen Hubbles gewesen (s.o.). Rechnete man mit einer ausreichenden Anzahl von Galaxienrotverschiebungen zurück zu dem theoretischen Zeitpunkt, an dem sie noch alle in einem Punkt vereint waren, also zurück zu dem Zeitpunkt, wo die Expansion des Universums einsetzte, so kam man auf ein ungefähres Alter von 4 Milliarden Jahren. Problematisch war auch hier natürlich die Entfernungsbestimmung der Galaxien unabhängig von der Rotverschiebung, welche für die Kalibrierung der Entfernungsskala unabdingbar war. Bei großen Entfernungen gab es dabei große Unsicherheiten. Schon Hubble hatte sich damit herumgeschlagen.  

Mit zwei vollkommen unterschiedlichen Methoden hatte war es aber trotzdem erstmals gelungen, einen konkreten Hinweis auf das tatsächliche Alter des Universums zu finden. Die dabei gefundenen Ergebnisse lagen mit >3,2 bzw. 4 Milliarden Jahren  größenordnungsmäßig  überraschend eng beieinander. Damit war nicht unbedingt zu rechnen gewesen. Das Universum war zwar sehr alt, aber eben nicht unendlich alt. Bei aller gegebenen Vorsicht konnte man das als Durchbruch in der Kosmologie ansehen. Im Jahre 1954 wurde in der Presse ausführlich über die Arbeiten von Schwarzschild und Sandage berichtet.

Inzwischen geht man aufgrund einer mehrfach erfolgten Neukalibrierung der Entfernungsskala mit immer weiter verbesserten Methoden von einem  12-15 Milliarden Jahre alten Universum aus.

1957 Sternentwicklung und die Entstehung der Elemente

Die Astronomen Fred Hoyle (1915-2001), Margaret (geb. 1919) und Geoffrey Burbidge (1925-2010) und William Alfred Fowler führten die theoretischen Berechnungen von Schwarzschild und Sandage über die Sternentwicklung weiter. Ihr gut funktionierendes Sternenmodell, das die 4 Wissenschaftler im Jahre 1957 veröffentlichten, umfasste nicht nur alle im Hertzsprung-Russel-Diagramm vorkommenden Sterntypen, sondern erklärte auch erstmals widerspruchsfrei die Herkunft der schweren Elemente im Universum.

Wenn der Wasserstoff im Kern verbraucht ist, verlassen die Sterne wie oben beschrieben die Hauptreihe des Hertzsprung-Russel-Diagramms und blähen sich zu roten Riesen auf. Ursächlich ist die beim Schrumpfen des Kerns freigesetzte Gravitationsenergie und das Schalenwasserstoffbrennen.

Sterne mit weniger als 0,5 Sonnenmassen enden nach dem Ende des Schalenbrennens unter dem Einfluss ihrer Eigengravitation als ausgebrannte, hochkomprimierte weiße Zwerge, die nach und nach auskühlen.

In einem roten Riesen von mehr als 0,5 Sonnenmassen wird der Kern derart verdichtet, daß die Temperaturen für das Zünden des Heliumbrennens ausreichen. Bei dieser Kernfusionsreaktion verschmelzen Heliumkerne zu Kohlenstoff- und Sauerstoffkernen. In der Schale direkt über dem Kern wird es so heiß, daß es zum Wasserstoffschalenbrennen kommt (s.o.). Die Oberflächentemperatur steigt an, und der Stern gewinnt wieder ein inneres Gleichgewicht zwischen Eigengravitation und Strahlungsdruck. Wenn das Helium im Kern aufgebraucht ist, schrumpft der Kern wieder. In der Schale direkt oberhalb des Kerns zündet nach dem Wasserstoff- das Heliumbrennen, in einer weiteren Schale direkt darüber startet das Wasserstoffbrennen. Die überaus starke Energieabstrahlung bläht den Stern wieder zu einem roten Riesen auf. Wiederum verliert der Stern dabei viel Materie.

Sternentwicklung (H=Wasserstoff, He=Helium, Fe=Eisen). Quelle: Wikipedia

Ist der Stern noch massereicher (mehr als 2,3 Sonnenmassen), so laufen in seinem Kern die Kernfusionsreaktionen bis zum Eisen hin weiter. Mehr geht aber nicht, weil die Fusion zu noch schwereren Elementen keine Energie mehr liefert, sondern verbraucht. Auch außerhalb des Kerns finden wieder in Abhängigkeit von Dichte und Temperatur Kernfusionsreaktionen statt. Der Stern weist dabei eine Art Zwiebelschalenstruktur auf: Im Kern  die Kernfusion bis zum Eisen, darüber die Heliumfusion zu Kohlen- und Sauerstoff und noch weiter außen die Wasserstofffusion zum Helium. Nachdem der Stern total ausgebrannt ist, stürzt er unter seiner Eigengravitation in sich zusammen und setzt eine bisher nicht gekannte Menge an Gravitationsenergie frei. 

In einer spektakulären Supernovaexplosion stößt der Stern auf einen Schlag seine gesamte äußere Hülle ab. In Abhängigkeit von der Ausgangsmasse vor der Explosion endet der Stern entweder als Neutronenstern (wenn er trotz aller Masseverluste noch mehr als 1,4 Sonnenmassen hat), bei dem Protonen und Elektronen unter dem ungeheuren Druck zu Neutronen verschmelzen oder, wenn noch mehr als 3 Sonnenmassen übrig bleiben, sogar als Schwarzes Loch, das unter der Wirkung seiner enormen Eigengravitation eine von unserem Universum losgelöste Raum-Zeit-Blase (Singularität) ausbildet. Vielleicht die Geburt eines neuen Universums?

Die bei einer Supernovaexplosion freigesetzte Energie ist so gewaltig, daß auch Kernverschmelzungsreaktionen zu noch schwereren Elementen als Eisen stattfinden können.

Die Supernovaexplosionen aufeinanderfolgender Sternengenerationen reichern die interstellare Materie aus der sich immer wieder neue Sterne bilden können, nach und nach mit schweren Elementen an. 

Die alten Sterne der Population II, vor allem in Kugelsternhaufen, elliptischen Galaxien oder den Zentren der Spiralgalaxien, enthalten nur geringe Konzentrationen an schweren Elementen (geringe „Metallizität“). Bei den jüngeren Sternen der Population I, die hauptsächlich in den Scheiben der Spiralgalaxien vorkommen, sieht das aber schon ganz anders aus. Sie enthalten große Mengen an schweren Elementen, eine gute Voraussetzung für die Bildung von Planetensystemen, darunter sicher auch einige mit erdähnlichen, belebten Planeten.

Jens Christian Heuer

Quellen: Das Echo des Urknalls: Kernfragen der modernen Kosmologie (engl.: Lonely Hearts of the Cosmos: The Story of the Scientific Quest for the Secret of the Universe), Dennis Overbye;  A study of the globular cluster M3, Allan Sandage (1953); The first 50 years at Palomar: 1949-1999 The Early Years of Stellar Evolution, Cosmology, and High-Energy Astrophysics, Allan Sandage; Wikipedia