Urknall, Weltall und das Leben

Vom Nichts bis heute Morgen erweiterte 3. Auflage

Harald Lesch, Josef M. Gaßner

• Verlag: Komplett-Media Verlag
• Jahr: 2015
• ISBN drucken: 9783831204342
• eBook-ISBN: 9783831257683
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Astronomie & Astrophysik

Ein Universum entsteht aus dem Nichts und lädt ein zum Staunen. Der ewige Kreislauf aus Strukturbildung und kosmischen Katastrophen lässt faszinierende Objekte werden und vergehen. Sternengeburt und Sternentod reihen sich aneinander, bis hin zu einer wundersamen Metamorphose - der Selbstorganisation von toter Materie zu lebenden Organismen. Dieses Leben wird sich seiner selbst bewusst und stellt Fragen: Wie konnte Alles aus dem Nichts entstehen und was war davor? Was ist Materie und was hält die Welt im Innersten zusammen? Was sind Sterne, Quasare, Pulsare, Jets, GRB, UHECR, Magnetare, Schwarze Löcher, Super- und Hypernovae, Galaxien und der Rest? Wie ist das Leben entstanden und sind wir allein? Wohin führt unsere kosmische Reise / welche Bedrohungen erwarten uns? Was ist Dunkle Materie, Dunkle Energie, Supersymmetrie, Eichsymmetrie und spontane Symmetriebrechung? Was bringt uns das Higgsboson und wie geht´s jetzt weiter am LHC? Die Weltformel: Stringtheorie oder Schleifenquantengravitation? Woher wissen wir das alles und wo ist die Grenze unserer Erkenntnis? Das anthropische Prinzip - ist noch Platz für Gott in unserem Weltbild? Harald Lesch und Josef M. Gaßner begeben sich auf die Suche nach Antworten und präsentieren im kurzweiligen Dialog den aktuellen Stand der Wissenschaft so verständlich wie nur möglich, bis an die Grenzen ihrer eigenen Vorstellungskraft.

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Woher wissen wir das Alles?

Auf den Schultern von Riesen

Gaßner: Es sollte einer jener wenigen, denkwürdigen Tage werden, an denen ein Weltbild zu Fall kommt. Ironischerweise war es ein ehemaliger Preisboxer, der den entscheidenden k.o.-Schlag versetzte.

Edwin Hubble hatte über Jahre hinweg eine besondere Klasse der Riesensterne beobachtet, die sogenannten Cepheiden. Sie verändern ihre enorme Helligkeit streng periodisch – typischerweise innerhalb von wenigen Tagen –, wodurch Hubble sie über Millionen von Lichtjahren hinweg bis ins Innere unserer Nachbargalaxien aufspüren konnte. Mit Hilfe der zugrunde liegenden Theorie dieser veränderlichen Leuchtkraft gelang es ihm, Entfernung und Geschwindigkeit dieser Objekte in einem Diagramm zusammenzutragen.

1.4 Edwin Powell Hubble (1898 - 1953)

Lesch: Langsam, langsam! Warum hat Hubble sehr leuchtstarke Objekte ausgewählt? Weil die über weite Entfernungen beobachtbar sind. Die Cepheiden sind sehr hell und weisen zusätzlich eine weitere äußerst nützliche Eigenschaft auf: Ihre Leuchtkraft lässt sich theoretisch berechnen.

Gaßner: Und die passende Theorie verdanken wir Henrietta Leavitt.

Lesch: Ja! Endlich taucht auch mal eine Frau auf. Übrigens, die Bibel war in dieser Hinsicht schneller.

Gaßner: Dort liest sich die Schöpfungsgeschichte „Urknall, Weltall und das Leben“ auch deutlich kompakter, verglichen mit dem, was wir hier erzählen. Aber nicht ablenken, Harald, jetzt wird es spannend!

Henrietta Leavitt war eine wirklich tragische Figur. Krankheitsbedingt verschlechterte sich ihr Gehörsinn bereits in jungen Jahren so sehr, dass sie ihr Berufsziel – Konzertpianistin – aufgeben musste. Während ihres Musikstudiums hatte sie im Nebenfach Astronomie belegt, weil es ideal in ihren Wochenplan gepasst hatte. Mit zunehmender Behinderung machte sie aus ihrer Not eine Tugend und verdiente ihren Lebensunterhalt am Observatorium in Harvard mit der Auswertung von Photoplatten. Ihre Akribie und Konzentrationsfähigkeit waren legendär und 1912 – tausende ausgewerteter Photoplatten später – erkannte sie eine Beziehung zwischen der Periodizität, mit der Cepheiden strahlen, und ihrer absoluten Leuchtkraft. Benannt sind sie übrigens nach Delta-Cephei im Sternbild Cepheus, dem ersten beobachteten veränderlichen Riesenstern.

1.5 Henrietta Swan Leavitt (1868 - 1921)

Lesch: Hubble wusste also, wie stark diese Sterne dort strahlen, wo sie sich befinden. Das hat er verglichen mit der Strahlung, die bei uns ankommt. Aus diesem Verhältnis konnte er die Entfernung bestimmen.

Gaßner: Das Prinzip kennt jeder vom Lagerfeuer. Je weiter man vom Feuer weggeht, umso weniger Wärmestrahlung trifft auf den Körper. Näher am Feuer wird es einem wärmer.

Lesch: In doppelter Entfernung bekomme ich nur noch 1/4 der Strahlung ab. In dreifacher Entfernung 1/9. Die Intensität fällt mit dem Quadrat des Abstands. Daraus lässt sich die Entfernung berechnen

1.6 Die scheinbare Leuchtkraft nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Dargestellt an vier identischen Kerzen in unterschiedlichem Abstand.

1.7 Der Intensitätsverlauf einer Lichtquelle. Misst man beispielsweise in einem Abstand r die Anzahl der Photonen, die pro Sekunde auf eine Leinwand der Größe A fallen, so ist für dieselbe Anzahl im doppelten Abstand die vierfache und in dreifachem Abstand die neunfache Fläche nötig.

Gaßner: Vorausgesetzt wir wissen, wie stark die Strahlung direkt am Lagerfeuer beziehungsweise unmittelbar an der Sternenoberfläche ist. Henrietta Leavitt gelang der Durchbruch. Mit der Berechnung der Cepheiden-Leuchtkraft standen standardisierte Leuchtfeuer in bis zu zehn Millionen Lichtjahren Entfernung zur Verfügung. Bevor sie ihre Theorie entwickelt hatte, waren Entfernungsmessungen auf hundert Lichtjahre begrenzt. Damals war man sich nicht einmal sicher, ob die Magellanschen Wolken oder die Andromeda-Galaxie zur Milchstraße zählen oder nicht.

Lesch: Leavitt hatte eigens ein neues Messverfahren entwickelt, das leider nicht nach ihr benannt wurde, sondern die Bezeichnung Harvard-Standard erhielt. Frauen hatten Anfang des letzten Jahrhunderts noch einen sehr schweren Stand in der Wissenschaft.

Gaßner: Erst Jahre später wollte das Nobelpreis-Komitee ihre bahnbrechenden Leistungen würdigen; am Ende hatte sie mehr als 2.400 veränderliche Sterne entdeckt und vier Supernovae beobachtet. Allerdings war Henrietta Leavitt bereits vier Jahre vor ihrer geplanten Nominierung im Alter von 53 Jahren an Krebs verstorben und posthum wird die Auszeichnung bekanntlich nicht verliehen. Wie gesagt, sie war in jeder Hinsicht eine wahrlich tragische Figur. Angesichts der strahlenden Entdecker in der Naturwissenschaft vergisst man nur zu leicht die vielen Einzelschicksale im Hintergrund.

Lesch: Apropos strahlender Entdecker – damit wären wir wieder bei Edwin Hubble. Der hat zusätzlich zur Entfernung auch die Fluchtgeschwindigkeit der Objekte bestimmt. Dafür müssen wir einen Blick in die Waschküche der Spektralanalyse werfen. Die Atome der verschiedenen chemischen Elemente geben Strahlung in ganz gewissen Portionen ab, die durch die Energieniveaus in der Elektronenhülle genau definiert sind. Diese Spektrallinien sind gewissermaßen ihr Fingerabdruck, der sich für jede Atomsorte im irdischen Labor messen lässt.

1.8 Die Emissionslinien von Wasserstoff und Helium als charakteristische Fingerabdrücke.

1.9 Dargestellt ist ein Atom vor und nach dem Übergang eines Elektrons von einer (der dritten) auf eine andere (die zweite) Bahn um den Atomkern.

Elektronen auf höheren Bahnen besitzen mehr Energie, entsprechend wird die Differenz beim Übergang in Form eines Photons (Emissionslinie) freigesetzt. Dabei entspricht jede Wellenlänge einer bestimmten Energie. Kurze Wellenlänge bedeutet hohe Energie, große Wellenlänge bedeutet niedrige Energie.

Den umgekehrten Vorgang, bei dem Atome aus einem vorgegebenen Spektrum Energie entnehmen, um sie in ihrer inneren Struktur zu verteilen, nennt man Absorption. Dabei wird beispielsweise ein Elektron auf eine höhere Bahn ausgelenkt. Die entsprechende Energie fehlt anschließend im Ausgangsspektrum. Diese charakteristischen schwarzen Linien nennt man Absorptionslinien.Emissions- und Absorptionslinien werden unter dem Oberbegriff „Spektrallinien“ zusammengefasst.

Gaßner: Die Wellenlängen der Spektrallinien weit entfernter Objekte sind gegenüber unseren Laborwerten aber verschoben. Daraus leiten wir eine sogenannte Fluchtgeschwindigkeit her, wobei wir noch sehen werden, dass man hier mit dem Begriff „Geschwindigkeit“ sehr vorsichtig umgehen muss.

1.10 Oben ist das Spektrum unserer Sonne dargestellt, unten die Spektrallinien des eine Milliarde Lichtjahre entfernten Superhaufens BAS11. Die Linien weit entfernter Objekte sind gegenüber den Referenzlinien aus den irdischen Labors verschoben.

1.11 Für eine ruhende Strahlungsquelle (links) erhält man eine Kugelwelle um den Mittelpunkt, wobei jeweils der Abstand zwischen zwei konzentrischen Kugelschalen die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts kennzeichnet.

Bewegt man die Strahlungsquelle kontinuierlich nach rechts, erhält man das rechte Bild. In Bewegungsrichtung sind die Wellenlängen verkürzt (blauverschoben), entgegengesetzt sind sie gedehnt (rotverschoben).

Lesch: Wenn ein Kranken- oder Poliz...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelblatt
• Urheberrecht
• Inhaltsverzeichnis
• Vorwort
• Prolog
• 1. Woher wissen wir das alles? - Auf den Schultern von Riesen
• 2. Der Urknall - Der Tag ohne gestern
• 3. Das Weltall - Alles, was ist - nicht mehr, aber auch nicht weniger
• 4. Das Leben - Wie aus den Prokaryonten Dichter wurden
• 5. Wie geht’s jetzt weiter? - Auf zu neuen Ufern!
• 6. Ein Blick über den Tellerrand - Spaziergang am Rand der Erkenntnis
• Anhang
• Bildnachweis