24. August 2009, 17:33
Ich habe darüber nachgedacht, was die zwölf größten wissenschaftlichen Leistungen in der Astronomie gewesen sein könnten. Wie sich zeigen wird, gibt es dabei ein paar interessante Lehrstücke zur historical correctness. Hier kommt meine natürlich subjektive Liste in chronologischer Reihenfolge:
DURCHBRUCH (1)
1609 Der Pionier der beobachtenden Astronomie
Der Naturforscher Galileo Galilei (1564 - 1642) begründete die moderne Astronomie, indem er das holländische Fernrohr, erfunden von Hans Lipperhey, verbesserte und erstmals an den Himmel richtete, um Himmelsobjekte zu erforschen. Er entdeckte Sonnensysteme im Mini-Format wie Jupiter mit seinen Galilei'schen Monden und die Phasen der Venus. Er fand, dass die Milchstraße aus Sternen zusammengesetzt ist und erforschte die Mondkrater. Galilei war der Entdecker neuer Welten und neuer Weltbilder. Denn seine Beobachtungen stützen das Kopernikanische Weltbild, nämlich dass nicht die Erde, sondern die Sonne im Zentrum des Planetensystems steht. Dies brachte ihn in den 1630er Jahren in Konflikt mit der katholischen Kirche, die ihn 1992 rehabilitierte.
Galilei kann als Pionier der modernen Naturforschung, insbesondere den empirischen Naturwissenschaften angesehen werden. Seinetwegen feiern wir das Jahr 2009, 400 Jahre nach seinem Durchbruch, das Internationale Jahr der Astronomie.
DURCHBRUCH (2)
1687 Die Beschreibung der Schwerkraft
Der Universalgelehrte Sir Isaac Newton (1643 - 1727) schuf eine Gravitationstheorie, die sowohl die Wirkung der Schwerkraft auf der Erde, als auch im Himmel hervorragend erklärte. Nach Newtons Gravitationsgesetz ist die Schwerkraft proportional zur Masse der beteiligten Körper, zwischen denen die Kraft wirkt und sie fällt mit dem Quadrat des Abstands der Körper ab. Auf diese Weise konnte Newton die empirisch gewonnen Kepler-Gesetze mathematisch erklären. Ein Aspekt dieser Leistung ist, dass er gleichsam die Gesetze von der Erde an den Himmel versetzte – ein Umstand, der wissenschaftshistorisch als die erste Unifikation bezeichnet wird.
1687 veröffentlichte Newton seine bahnbrechenden Erkenntnisse in seinem Werk "Philosophiae naturalis principia mathematica".
DURCHBRUCH (3)
1916 Ein neues Verständnis von Raum, Zeit, Materie und Energie
Der berühmteste Naturwissenschaftler Albert Einstein (1879 – 1955, siehe Foto) publizierte 1916 die Allgemeine Relativitätstheorie, kurz ART. Diese Erweiterung seiner Speziellen Relativitätstheorie von 1905 ist eine Gravitationstheorie, die unser Verständnis von Raum, Zeit und Energie in völlig neuem Licht erscheinen ließ. Die Relativitätstheorien vereinen Raum und Zeit zur Raumzeit. Nach der ART wird dieses vierdimensionale Gebilde durch Energieformen wie Masse gekrümmt. Die Erscheinung Gravitation resultiert aus gekrümmter Raumzeit.
Mathematisch lässt sich dies in der Einsteinschen Feldgleichung ausdrücken. Dies ist ein komplexes System aus zehn partiellen, nichtlinearen Differentialgleichungen, das sich recht kompakt mithilfe von Tensoren schreiben lässt. Einsteins Leistung bestand darin, diese Gleichung zu finden und physikalisch zu deuten. Die Feldgleichung ist das zentrale Element der ART. Bis heute sind nicht alle Lösungen der Feldgleichung bekannt. Ihre Lösungen sind zum Beispiel ganze Universen (Friedmann-Lösungen) oder Schwarze Löcher (z.B. Schwarzschild- oder Kerr-Lösung). Einsteins Theorie war damit ein Durchbruch zur modernen Kosmologie und Astrophysik. Auch heute noch profitiert die Wissenschaft von Einsteins Theorien und längst sind nicht alle Forschungsfragen der Relativitätstheorien geklärt.
DURCHBRUCH (4)
1925 Die Welt außerhalb der Milchstraße
Der US-amerikanische Astronom Edwin Hubble (1889 - 1953) beobachtete in den 1920er Jahren "Nebel" mit dem damals größten Teleskop der Welt auf dem Mount Palomar – einem 100 Inch-Spiegel, also mit 2,5m Durchmesser. Damals nannten die Astronomen die Galaxien noch "Nebel" (engl. nebulae), weil sie als nebulöse, wolkenartige Gebilde im Teleskop zu erkennen waren. Hubble benutzte Sterne, die ihre Helligkeit periodisch verändern (die Cepheiden), um aus dem der Differenz von scheinbarer und absoluter Helligkeit (dem Entfernungsmodul) die Distanz zu bestimmen. So fand er 1925 heraus, dass sich die zwei "Spiralnebel" M31 und M33 außerhalb der Milchstraße befinden müssen (Publikation: E. P. Hubble, Cepheids in spiral nebluae, The Observatory 48, 139-142, 1925). Er maß damals 285.000 Parsec, rund eine Million Lichtjahre. Heute weiß man, dass die Andromedagalaxie M31 (siehe optische Fotografie von John Lanoue) sogar etwa 2,2 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist. Hubble begründete damit die extragalaktische Astronomie - ein Durchbruch.
DURCHBRUCH (5)
1927 Das Weltall dehnt sich aus
Dem soeben erwähnten Hubble wird die Entdeckung zugeschrieben, dass die entfernten Galaxien sich von uns wegbewegen. Tatsächlich gab es seinerzeit viele Astronomen, die wichtige Entdeckungen in der extragalaktischen Astronomie machten:
Der US-Astronom Milton Humason (1891 - 1972) bestimmte die Rotverschiebungen vieler Galaxien, die ein Maß für ihre Entfernungen ist. Als Assistent von Hubble lieferte Humason diese Daten, die später zur Bestimmung der Hubble-Konstanten verwendet wurden. (Bitte besuchen Sie unbedingt den Wiki-LINK mit Humasons sehr lesenswerter Lebensgeschichte. Vielleicht kam er sogar Hubbles Entdeckung unter Durchbruch 4 zuvor!)
Der deutsche Astronom Carl Wilhelm Wirtz (1876 - 1939) untersuchte in den 1920er Jahren ebenfalls "Nebel" (= Galaxien) an der Kieler Sternwarte. Schon 1924 entdeckte er dabei eine Beziehung zwischen Helligkeit und Radialgeschwindigkeit der Galaxien und damit eine Art Vorversion des Hubble-Gesetzes. Qualitativ stützten diese Beobachtungen das de-Sitter-Universum, eine Variante von expandierenden Universen.
Interessanterweise war es aber ein Priester und Kenner der Allgemeinen Relativitätstheorie, der Belgier George Lemaitre (1894 - 1966), dem 1927 der Durchbruch gelang. Alle weit entfernten Galaxien zeigen eine Rotverschiebung, was als Fluchtbewegung interpretiert werden kann. Der Grund: Die Raumzeit des Universums dehnt sich aus wie ein aufgeblasener Luftballon (siehe Skizze). Die im Kosmos befindlichen Objekte, Galaxien, Galaxienhaufen, aber auch Strahlung, müssen dieser Ausdehnung des Raums folgen. Als Konsequenz nehmen Abstände zwischen weit entfernten Galaxien mit der Zeit zu und Strahlung wird ebenfalls in die Länge gezogen. Dieser Effekt ist die kosmologische Rotverschiebung.
Wenn aber das Weltall expandiert, so muss es in der Vergangenheit kleiner gewesen sein. Lemaitre zog daraus den Schluss, dass es in der Vergangenheit die "Geburt des Raumes" gegeben haben muss. Letztendlich meinte Lemaitre damit nichts anderes als den Urknall – so nennen wir es heute. Der Begriff Urknall oder Big Bang ist allerdings erst 60 Jahre alt. Erfunden wurde er von dem englischen Physiker Sir Fred Hoyle im Jahr 1949. Als Gegner der Urknalltheorie führte Hoyle "Big Bang" eigentlich als Schimpfwort ein.
Was lernen wir: Hubble verdanken wir die Messung der Hubble-Konstanten im ebenfalls nach ihm benannten Hubble-Gesetz – eine Gesetzmäßigkeit, die Wirtz im Prinzip vorwegnahm. Lemaitre ist im Prinzip der "Vater der Urknalltheorie", und es war nicht Hubble, dem wir die Entdeckung der Expansion verdanken.
DURCHBRUCH (6)
1932 Eine neue dunkle Materieform
Jan Hendrik Oort (1900 - 1992) ist ein niederländischer Astronom, den wir eher mit der Oort'schen Wolke in Verbindung bringen. So heißt die Heimstätte der (langperiodischen) Kometen, die in ca. 10.000 AU Entfernung ihr Dasein fristet. Es war auch Oort der erstmals den Ort des Milchstraßenzentrums in etwa 30.000 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Schütze lokalisierte. Oort war darüber hinaus in dritter Hinsicht ein Pionier: Er kann als Entdecker der Dunklen Materie bezeichnet werden. Wie kam er dazu?
Oort untersuchte Galaxien an der Sternwarte Leiden, u.a. auch die Rotation der Milchstraße. Dabei stellte er verblüfft fest, dass die Rotationsgeschwindigkeiten der Sterne um das Zentrum der Milchstraße viel höher sind, als man es aus der Theorie erwarten würde. Die Theorie, das sind die Kepler-Gesetze, die die Sterngeschwindigkeiten in Bezug setzen zur Massenverteilung in der Milchstraße. Nach Oorts Messungen lassen die Sternbewegungen auf viel mehr Masse schließen, als man beobachtet. Deshalb forderte er die Existenz einer "nebulösen, dunklen Materie" (Publikation: J. H. Oort, Bulletin of the Astronomical Institutes of the Netherlands 6, 249, 1932).
1933 fand offenbar auch der schweizerische Astronom Fritz Zwicky (1898 – 1974) Gefallen an der Hypothese der Dunklen Materie. Er betrachtete jedoch größere Systeme: Galaxienhaufen. Die Dynamik der Galaxien in einer Ansammlung von Galaxien wird von der Gravitation bestimmt. Auch hier bewegten sich die Galaxien im Haufen viel schneller, als man es vom Anteil der sichtbaren Materie erwarten würde. Die zusätzliche Dunkle Materie erklärte sehr elegant die Beobachtungen der Galaxienhaufen (Publikation: Zwicky, Fritz, Helv. Phys. Acta 110, 6, 1933).
Neben Galaxien und Galaxienhaufen spricht auch die allgegenwärtige, kosmische Hintergrundstrahlung für die Existenz der Dunklen Materie. Es ist sogar möglich den Anteil der verschiedenen Materie- und Energieformen im Kosmos in verschiedenen Epochen zu bestimmen, weil sie sich in der Art unterscheiden, wie sie sich mit der kosmischen Expansion ausdünnen. Aktuell besagen die Daten von dem Satelliten WMAP, dass wir und die normale Materie eine Ausnahmeerscheinung sind: Gewöhnliche, oder wie der Fachmann sagt, baryonische Materie macht 4,6% im lokalen Universum aus. Dunkle Materie gibt es anteilig mehr: 23,3%. Und dominiert wird der entwickelte Kosmos von der Dunklen Energie, einer mysteriösen Energieform mit noch seltsamerer Zustandsgleichung: Sie stellt 72,1%. Somit sind ca. 95% im Kosmos aus rätselhaftem, neuem Stoff, den wir auf der Erde nicht kennen.
Was verbirgt sich hinter der Dunklen Materie? Wir wissen es nicht, aber es gibt ein paar gute Ideen. Nach der vielversprechendsten Hypothese besteht Dunkle Materie aus neuen Teilchen, z.B. supersymmetrische Teilchen. Sie zu finden, ist eine der zentralen Aufgaben des Large Hadron Colliders am CERN.
DURCHBRUCH (7)
1965 Das Nachglühen des Urknalls
Arno Penzias (* 1933) und Robert Wilson (* 1936) entdeckten 1965 mit einer hausgroßen Hornantenne (Foto rechts; Credit: Bell Labs, USA) eine Strahlungsform, die uns aus allen Himmelsrichtungen erreicht. Sie entdeckten die kosmische Hintergrundstrahlung. Es ist eine thermische Strahlungsform und das Älteste, was Menschen überhaupt messen können: Die Hintergrundstrahlung hat sich vor 13,69 Mrd. Jahren bzw. 380.000 Jahre nach dem Urknall auf den Weg gemacht. Damals gab es noch keine Sterne, keine Galaxien, keine Planeten – es gab nur ein Gas, das im Wesentlichen aus 75% Wasserstoff und 25% Helium bestand und das ein paar tausend Grad Temperatur hat. Dadurch strahlte es und dieses "Glühen" beobachten die Astronomen heute noch. Penzias und Wilson wurden für diese Entdeckung 1978 mit dem Nobelpreis für Physik belohnt. Vorhergesagt hatte diese Strahlung schon der Russe George Gamow (1904 - 1968) - Er ging bei der noblen Prämierung leer aus, weil er leider bereits 1968 verstarb.
DURCHBRUCH (8)
1992 Unregelmäßigkeiten in der Hintergrundstrahlung
Die kosmische Hintergrundstrahlung enthält eine Fülle von Informationen über das Weltall, und für sie gab es einen weiteren Nobelpreis für Physik. Im Jahr 2006 erhielten ihn die beiden Leiter des COBE-Teams, John Mather (geb. 1946) und George Smoot (geb. 1945), beide US-Astrophysiker. COBE steht für Cosmic Background Explorer und bezeichnet einen Satelliten, der die kosmische Hintergrundstrahlung im Bereich der Mikrowellen detektierte (Die Europäische Weltraumbehörde ESA schickte vor kurzem einen Nachfolger ins All. PLANCK soll die Hintergrundstrahlung in den nächsten Monaten noch viel genauer kartieren. In meinem Blog post zu PLANCK wird auch etwas mehr zur Messmethode erläutert).
Im Unterschied zur Radioantenne von Penzias und Wilson von Durchbruch 7, konnte mit COBE sehr genau das Spektrum der Hintergrundstrahlung gemessen werden. Ohne jeden Zweifel ist es thermische Strahlung, die durch eine Planck-Kurve beschrieben werden kann. Ihre Temperatur liegt bei nur 2,7 Kelvin – das bestätigte hervorragend Gamows Prognose.
Der eigentliche Hammer der neuen Hintergrundkarte von COBE waren jedoch richtungsabhängige Unregelmäßigkeiten, so genannte Anisotropien (siehe Foto). Zieht man alle Störquellen ab, so bleibt eine schwache Schwankung der Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung im Bereich von nur 10^-5 Kelvin. Ist das Detektorrauschen oder ein Messfehler? Nein, weder noch; es ist ein Abbild der ersten Dichteverteilung im frühen Universum! Diese frühesten Materieverdichtungen zogen mit ihrer Gravitation an dem ersten Licht, das der Kosmos kannte. So prägten die Materieverdichtungen hier und da einen unverwechselbaren Abdruck in die kosmische Hintergrundstrahlung – und dieses Muster ist 13,69 Mrd. Jahre später von COBE aufgespürt worden! COBE erzählte uns damit zum ersten Mal bebildert die Geschichte des Universums fast vom Anfang bis heute. Der berühmte Physiker und Kosmologe Stephen Hawking nannte deshalb diese Entdeckung die größte, wissenschaftliche Errungenschaft des Jahrhunderts – vielleicht sogar aller Zeiten.
DURCHBRUCH (9)
1993 Gravitationswellen muss es geben
Die Astronomen Russel Hulse (geb. 1950) und Joseph Taylor (geb. 1941) investierten viel Zeit, um ein besonderes Sternenpaar zu beobachten. Es handelt sich dabei um einen Doppelpulsar, also zwei Neutronensterne, die sich umkreisen. Neutronensterne sind kompakte Sternüberbleibsel, die nach der Sternexplosion eines massereichen Sterns übrig bleiben. Ihr Durchmesser ist so groß wie eine Großstadt und ihre Masse ist so groß wie die Sonnenmasse!
Beobachtet man über Jahre den Tanz der Neutronensterne, so erkennt man, dass ihre Pulse in immer schnellerer Folge kommen, d.h. sich immer mehr annähern. Offenbar verliert das Doppelsternsystem beim Tanz Energie. Hulse und Taylor konnten quantitativ zeigen, dass dieser Energieverlust genau zur abgestrahlten Energie passt, die Gravitationswellen forttragen. Kompakte Sterne, die sich umkreisen, bringen die Raumzeit sozusagen in Wallung. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erklärt diesen Effekt, denn die Raumzeit gerät bei der Beschleunigung von Massen in Schwingungen. Doppelpulsare sind sehr effektive Gravitationswellenemitter.
Für Ihren indirekten Nachweis der Gravitationswellen erhielten Hulse und Taylor den Nobelpreis für Physik im Jahr 1993. Derzeit läuft eine angestrengte Suche (u.a. mit LIGO und Geo 600), um Gravitationswellen direkt zu messen. Es muss sie geben. Ausgerechnet hat die Wellen ausgerechnet Durchbrecher Nr. 6, Albert Einstein, und zwar schon 1916.
DURCHBRUCH (10)
1995 Fremde Welten entdeckt
Im Oktober 1995 gaben Astronomen aus der Schweiz, Michel Mayor und Didier Queloz, die erste Entdeckung eines Planeten außerhalb des Sonnensystems benannt. Dieser so genannte extrasolare Planet hört auf den Namen 51 Pegasi b, hat eine halbe Jupitermasse und rotiert in Atem beraubenden 4,2 Tagen einmal um sein Heimatgestirn 51 Pegasi. Der Abstand zu seiner Sonne beträgt nur 0,04 AU (Erde zur Sonne: 1 AU), also sechs Millionen Kilometer. Unsere Sonne würde als Vollkugel nur viermal zwischen 51 Pegasi und den Exoplaneten passen.
Mittlerweile wurden zwischen 1995 und 2009 ungefähr 334 extrasolare Planeten gefunden, deren Massen zwischen 0,01 und 20 Jupitermassen liegen. Wir wissen von hunderten anderer Welten - Exoplaneten sind offenbar recht zahlreich. 2007 wurde sogar eine "Supererde" gefunden, die nur fünfmal schwerer ist, als die Erde (Gliese 581).
Die Astronomen suchen natürlich auch nach Leben auf diesen Exoplaneten. Das soll die Aufgabe der DARWIN-Mission und bei Erfolg ein weiterer Durchbruch werden.
DURCHBRUCH (11)
1998 Das Universum dehnt sich beschleunigt aus
Zwei Gruppen, das Supernovae Cosmology Project (SCP, um S. Permutter, LBL California) und High-z Supernovae Search Team (HZSNS, um B. Schmidt, Harvard) beschäftigten sich seinerzeit mit der Beobachtung bestimmter Sternexplosionen. Es handelte sich dabei um Supernova vom Typ Ia. Kompakte Sternüberreste, nämlich Weiße Zwerge, sammeln Materie auf, überschreiten eine kritische Grenze (Chandrasekhar-Masse) und explodieren daraufhin. Supernovae Ia haben mehr oder weniger immer dieselbe Ausgangssituation vor der Explosion und sind daher immer ungefähr gleich hell. Diese Kenntnis machen sich Astronomen zunutze, um Entfernungen zu bestimmen. Sie folgt direkt aus scheinbarer und absoluter Helligkeit.
Entfernungsmarken wie die SN Ia kann man daher ausnutzen, um Distanzen zu messen. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Expansion des Kosmos ziehen. Wie bereits Lemaitre 1927 entdeckte, expandiert es (Durchbruch 5). Seit 1998 wissen wir, dass es sogar beschleunigt expandiert.
Nun kommt wieder Einsteins ART von 1916 ins Spiel: Die beschleunigte Expansion ist nur mit einer ganz merkwürdigen Energieform erklärbar, nämlich mit der Dunkle Energie. Was das ist, wissen die Astrophysiker nicht – hier lauert schon der nächste Durchbruch.
DURCHBRUCH (12)
2001 Beobachtung Schwarzer Löcher
Gibt es Schwarze Löcher? Einsteins Feldgleichung der ART von 1916 offenbart kuriose Lösungen: punktförmige Massen, die eine so starke Gravitation haben, dass ihnen nicht einmal das Licht entkommen kann. Diese Schwarzen Löcher können statisch und kugelsymmetrisch sein (Schwarzschild-Lösung) oder rotieren (Kerr-Lösung). Erlaubt die Natur die Existenz dieser seltsamen Objekte?
Die Forschergruppe um Reinhard Genzel, Professor für Astronomie und Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), beobachtet seit vielen Jahren das Zentrum der Milchstraße. Durch Staub und Sterne in der Milchstraßenebene ist die Sicht in das 26.000 Lichtjahre entfernte Zentrum unserer Heimatgalaxie optisch verwehrt. Den MPE-Astronomen ist es gelungen, mit immer subtileren Beobachtungstechniken das Herz der Milchstraße im Infraroten zu beobachten. Dabei fanden Sie Erstaunliches: Die Sterne im innersten Kern der Milchstraße tanzen mit atemberaubenden Geschwindigkeiten von einigen tausend Kilometern pro Sekunde um das Zentrum der Milchstraße. Was veranlasst sie zu so einer wilden Bewegung?
Über die Jahre zeigte sich, dass sich die innersten Sterne auf kreis- und ellipsenförmigen Bahnen bewegen – genauso wie die Planeten um die Sonne kreisen. Es sind auch dieselben Gesetze am Werke, nämlich die Kepler-Gesetze, die mathematisch mit Newtons Theorie von 1687 (Durchbruch 2) abgeleitet werden können. Das dritte Kepler-Gesetz setzt die Umlaufzeit eines Sterns und den Durchmesser seiner Bahn in Bezug zur zentralen Masse, um die er kreist. Umlaufzeit und Bahndurchmesser kann man beobachten und die Masse ausrechnen. Und es muss eine wahrhaft mächtige Sternschleuder sein: Die Masse innerhalb eines nur wenig größeren Bereichs als unser Sonnensystem ist so groß wie vier Millionen Sonnen!
So kompakt sind nicht viele Himmelskörper und nach sorgfältiger Betrachtung kommt man zu der Einsicht, dass im Zentrum unserer Heimatgalaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch sitzen muss. Es ist bislang der beste Kandidat dafür im ganzen Kosmos.
Epilog
Ist es nicht fantastisch, wie die Durchbrüche miteinander verwoben sind? Mit Erstaunen habe ich außerdem festgestellt, dass zwischen Durchbruch 2 und 3 fast 250 Jahre liegen. Die 1960er Jahre werden gerne als das goldene Zeitalter der Astronomie bezeichnet. In diesem Jahrzehnt wurde die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt (Durchbruch 7), aber auch die Natur der aktiven Galaxien wie Quasare wurde enthüllt. Ebenfalls in den 1960er Jahren fand Roy Kerr die Lösung, die rotierende Schwarze Löcher beschreibt. 1967 wurden mit den VELA-Satelliten durch Zufall die Gammaastrahlenausbrüche entdeckt - Himmelsobjekte, die derzeit den astronomischen Entfernungsrekord halten. Und im gleichen Jahr prägte John Wheeler den Begriff "Schwarzes Loch". Das waren alles große Leistungen. Blicke ich nun auf meine persönliche Top12, so waren die 1990er Jahre offenbar noch umwälzender für die Astronomie: Es gab hier gleich vier Durchbrüche, nämlich 8, 9, 10, und 11 - das ist gar nicht so lange her!
Was werden die nächsten Jahre und Jahrzehnte bringen? Jedenfalls ist es grandios in diesen aufregenden Zeiten zu leben.
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