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Sonne, Mond und Sterne ...
Der Mensch im Kosmos
Vom Werden und Vergehen
der Gestirne -
und was das Geschehen am (physikalischen) Himmel mit unserer Existenz zu tun
hat
(Joachim
Krause)
© Joachim Krause 2006
1.
Geheimnisse des Universums
Vor einiger Zeit lief im Fernsehen eine Sendung mit dem
Titel „Wir sind Sternenstaub“. Das klang reichlich poetisch – war es doch
eigentlich eine wissenschaftliche Sendung, in der es um trockene, nüchterne
Physik ging, um eine Zeitreise durch die Geschichte unseres Universums. Die
Sendung vermittelte nicht nur erstaunliche und verwirrende Einblicke. Was da
erzählt wurde, war spannend, klang manchmal fast märchenhaft: wenn da die Rede
war von Roten Riesen und Weißen Zwergen, von Antimaterie und Schwarzen Löchern,
wenn geschildert wurde, wie Sterne geboren werden und nach Milliarden von
Jahren in gewaltigen Explosionen zu Grunde gehen.
Mein Interesse war geweckt. Die
Beschäftigung mit dem Thema hat mich immer neu zum Staunen gebracht, zum
Weiterfragen angeregt – als Naturwissenschaftler und als Christ.
Ich möchte Sie einladen, mit mir im Kosmos der Physiker
spazieren zu gehen.
Nach einer kurzen Hinführung wollen wir zunächst einen
Blick auf das Universum werfen, wie es uns heute begegnet. Danach werden wir
eine Reise im Zeitraffer unternehmen – vom Anfang des kosmischen Dramas
(„Urknall“) bis zu uns und weiter in die Zukunft. Welche Auswirkungen für
unser Dasein auf der Erde hat die bisherige Geschichte des Kosmos, das Werden
und Vergehen der Sterne, die Existenz von Sonne, Mond und Asteroiden? Wir
wollen wir uns der Frage stellen, wie es uns geht in und mit dem neuen Weltbild
der Physik: Erleben wir in diesem Universum Geborgenheit oder fühlen wir uns
verloren? Nicht zuletzt werden wir einer Frage begegnen, die sich heute viele
Naturwissenschaftler stellen: Ist das Universum nicht erstaunlich „maßgeschneidert“
für uns Menschen?
2.
Der ewige Himmel des Aristoteles
Wir Menschen sind unterwegs in der Zeit - eine unendliche
Reise, die für jede Generation neu beginnt.
Unseren Vorfahren in den zurückliegenden Jahrtausenden
blieb wohl selten Zeit für hochfliegende Gedanken. Das mühsame Dasein des Menschen
zwang seinen Blick zur Erde. Hier musste er sich zurechtfinden, einrichten,
diese Welt galt es umzugestalten.
Aber immer wieder haben Menschen den Kopf gehoben, ihren
Blick zum Himmel gerichtet, zur Sonne, die zuverlässig Wärme spendete für das
Leben, oder hin zum Mond, ihrem bleichen, geheimnisvollen Begleiter in der
Nacht. Die „Wandelsterne“ wurden entdeckt, die Planeten, die sich am
Sternenhimmel bewegen, im Unterschied zu den viel zahlreicheren „Fixsternen“
(fix = fest), die ewig und unbeweglich an der immer gleichen Stelle des
Himmelsgewölbes zu verharren scheinen.
Der gestirnte Himmel wurde erlebt als großartige Kulisse
des Welttheaters. Hier gab es Rhythmen, die immer wiederkehrten, der Wechsel von
Tag und Nacht, die Folge der Jahreszeiten, die Wiederkehr von
Sternkonstellationen – das alles war der erhabene Hintergrund für das quirlige
Leben auf der Erde.
Zum Staunen kam das Fragen:
Wird unser Schicksal von dort oben her gelenkt? Sonne,
Mond und Gestirne wurden als mächtige Gottheiten gedeutet und verehrt,
Sternbilder sollten den Lebensweg der Menschen bestimmen (das hat sich in der
Astrologie bis in unsere Tage erhalten).
Der neugierige Mensch wollte wissen: Wie funktioniert das Himmelstheater,
welche Geheimnisse verbergen sich hinter den Kulissen? Mit diesen Fragen
begann der Aufbruch der Philosophie, sie stehen auch am Beginn der modernen
Naturwissenschaften.
Und die Beobachtung der Gestirne brachte ganz praktischen
Nutzen. Die Rhythmen des Lebens (z.B. die Jahreszeiten) konnten aus dem Stand
und dem Lauf der Gestirne abgelesen und errechnet werden, erste Kalender
entstanden, lieferten der Landwirtschaft den richtigen Zeitpunkt für Aussaat
und Ernte. Sternbilder ermöglichten Orientierung (wichtig für Nomaden in der
Wüste wie für Seefahrer). In Ägypten berechnete man aus dem „Aufgang“ des
Sirius (seinem Erscheinen über dem Horizont) den Termin für die regelmäßig
wiederkehrende Überflutung des Nil-Tales. Um 1600 v.Chr. türmten Steinzeitmenschen
in Südengland Steinquader auf. Das Monument von „Stonehenge“ ist noch heute
beeindruckend: die Anlage war ein kultischer Ort und zugleich ein
Observatorium zur Beobachtung des Himmels.
Bis Anfang des 20. Jahrhunderts war es allgemeine Ansicht –
nicht nur im gemeinen Volk, sondern auch in den Höhen der Philosophie: Bei
allem Wandel, aller Vergänglichkeit, der das Leben hier auf der Erde unterliegt
– der gestirnte Himmel über uns ist unwandelbar und ewig. Auch für Astronomen, für
die „zuständigen“ Naturwissenschaftler, stellte sich die Frage nach einem Woher
oder Wohin für den Kosmos nicht. Er war schon immer da, und er würde immer
sein.
3.
Das Weltbild bekommt neue Farben
Zu einer Revolution in der Weltsicht der Astronomen führten
neue Beobachtungsmöglichkeiten im 20. Jahrhundert. Bis Anfang der 1930er Jahre
war das sichtbare Licht die einzige Beobachtungsquelle für das Geschehen im
Kosmos. Schon aus den damit erzielten Schwarz-Weiß-Aufnahmen waren eine Fülle
von Einsichten gewonnen worden.
Nun wurden neue Riesenteleskope gebaut, die auf hohen
Bergen in staubarmen Regionen standen. Aber noch immer gab es störende
Einflüsse der Erdatmosphäre, die durch ihre chemische Zusammensetzung
verhindert, dass bestimmte Arten von Strahlung aus dem Kosmos überhaupt die
Erdoberfläche erreichen. Satelliten (zuletzt das besonders leistungsfähige
Weltraumteleskop HUBBLE) machten auch die Erfassung und Messung solcher
Strahlungsarten möglich. Das Weltbild der Astrophysik gewann im wahrsten Sinne
des Wortes ganz neue Farben: Gamma- und Röntgenstrahlung, ultraviolettes und
infrarotes Licht, Mikro- und Radiowellen öffneten ganz neue Beobachtungsfenster.
Durch die nun möglichen neuen Ausblicke wurde das Bild, das
die Naturwissenschaft vom Universum hatte, zum einen viel größer, und in der
Folge geriet der Kosmos selbst in Bewegung.
4. Der Horizont wird geweitet
Der Blick des Menschen wurde geweitet, neue Horizonte taten
sich auf.
Wir wissen: unsere Erde kreist zusammen mit acht weiteren Planeten um die
Sonne, unseren Heimatstern, der ein ganz gewöhnlicher gelber Durchschnittsstern
ist.
Die Sonne ist einer von Milliarden Sternen, die zu unserer
Galaxis, der Milchstraße gehören. Wir sehen in sternklaren Nächten am Himmel
die Milchstraße von der Seite, als Scheibe. Von oben her gesehen ist sie spiralförmig.
Unsere Milchstraße ist eine Familie von 150 Milliarden Sternen. Wir sind (mit
unserer Sonne) etwa zwei Drittel des Radius vom Zentrum der Galaxie entfernt.
Die Galaxis dreht sich wie ein Feuerrad, und in einem der Spiralarme umkreist
die Sonne in 225 Millionen Jahren einmal das Zentrum. Die Galaxis hat einen
Durchmesser von 100.000 Lichtjahren, das heißt ein Lichtstrahl, der am einen
Ende ausgesandt wird, benötigt 100.000 Jahre (!), bis er auf der anderen Seite
ankommt und „gesehen“ werden kann.
Und unsere Galaxis ist nicht die einzige ihrer Art. Das
Weltall enthält mindestens 100 Milliarden solcher Galaxien, von denen fast alle
zu noch größeren Strukturen im Universum gehören, indem sie Gruppen, Haufen und
Superhaufen bilden. Diese Ansammlungen der Galaxien bilden „Fäden“ und
„Wände“, die riesige leere Räume umschließen („Blasen“ genannt).
Aber da reden wir schnell und locker von Millionen und
Milliarden Sonnen, die wiederum Millionen und Milliarden Lichtjahre von uns
entfernt sind. Wir müssen uns klar machen: Diese Größenordnungen sind so
gewaltig, dass wir sie uns nicht wirklich vorstellen können.
Das soll an zwei Beispielen deutlich gemacht werden.
Beispiel 1: der erdnahe Kosmos - verkleinert im Maßstab 1 zu
1 Milliarde
Um die Größenverhältnisse im Kosmos für uns fassbar zu machen, verkleinern wir
die wirklichen Verhältnisse im Maßstab 1:1Mrd., das heißt 1 Milliarde Kilometer
schnurren auf 1 Kilometer zusammen.
|
Der erdnahe Kosmos im Maßstab 1 zu 1 Milliarde |
||
|
Himmelskörper |
Durchmesser |
Abstand |
|
Erde |
1,2
Zentimeter |
- |
|
Mond |
4
Millimeter |
40
Zentimeter (von der Erde) |
|
Sonne |
1,40
Meter |
150
Meter (Sonne) |
|
Jupiter |
14
Zentimeter |
800 Meter
(Sonne) |
|
Pluto |
7
Millimeter |
6.000
Meter (Sonne) |
|
nächste Nachbarsonne: |
1,40
Meter |
50.000.000
Meter (50.000 km) |
Unsere Erde hat in Originalgröße einen Durchmesser von 12000
km (das entspricht der Fahrtsstrecke, die von einem durchschnittlichen
deutschen Auto in einem Jahr zurückgelegt wird). In unserem gewählten
Verkleinerungsmaßstab schrumpft die Erde auf die Größe einer Kirsche (1,2 cm).
Der Mond umkreist die Erde in der Größe eines Gewürzkorns und im Abstand von
knapp einem halben Meter. Die Sonne ist jetzt ein brennender Gasballon mit anderthalb
Metern Durchmesser, der von der Erde 150 Meter entfernt ist. Der Jupiter –
größter Planet des Sonnensystems – umkreist in Gestalt einer
Grapefruit-Frucht in fast einem Kilometer Abstand die Sonne. Der Planet Pluto,
der als äußerster größerer Himmelskörper noch zum Sonnensystem gehört,
schwebt in Heidelbeergröße bereits in 6 Kilometern Abstand um die Sonne, die
ihn aber immer noch an sich bindet. Und nun beginnt – auch in dieser extremen
Verkleinerung – die große Leere des Kosmos: Der nächste Nachbarstern unserer
Sonne, Proxima Centauri, wäre in diesem Modell 50.000 Kilometer entfernt (das
entspräche in unserer Realität einem Achtel des Abstandes zwischen Erde und
Mond).
Und noch einmal um den Faktor 100 verkleinert (insgesamt also 1 :
100.000.000.000 (100 Milliarden): Jetzt könnten wir uns eine Handvoll Kirschen
vorstellen, verstreut über den Kontinent Europa, etwa im Abstand der
Hauptstädte Berlin / Paris / Rom - so würde sich das „Gedränge“ der Sterne innerhalb
einer Galaxis darstellen. Wirklich vorstellbar?
Beispiel
2: eine Reise von der Erde aus mit Lichtgeschwindigkeit
Wir wollen kurz auf eine gedachte Reise in unsere kosmische
Nachbarschaft gehen. Wir wählen dafür die größte Geschwindigkeit, die im
Kosmos möglich ist, um Materie und Informationen zu übertragen. Nichts kann
sich schneller bewegen als das Licht, also mit etwa 300.000 Kilometern in einer
Sekunde. Auch dass es eine solche nicht zu übertreffende
Höchst-Geschwindigkeit gibt, ist eine merkwürdige, nicht wirklich vorstellbare
Einsicht der modernen Physik.
|
Kosmische Reise auf einem Lichtstrahl |
|
|
Ziel der Reise |
Dauer der Reise |
|
Mond |
1
Sekunde |
|
Sonne |
8
Minuten |
|
Jupiter |
43
Minuten |
|
Pluto |
7
Stunden |
|
äußerste Grenzen unseres Planetensystems |
35
Stunden |
|
nächster Nachbarstern (Proxima Centauri) |
4,3
Jahre |
|
weitere Sterne innerhalb der Galaxis |
aller 5
bis 10 Jahre |
|
Grenzen unserer Galaxis |
100.000
Jahre |
|
nächste Nachbar-Galaxis (Andromeda-Nebel) |
2
Millionen Jahre |
|
benachbarter Galaxien-Haufen (Virgo) |
43
Millionen Jahre |
Auf unserer Reise fliegen wir nach 1 Sekunde am Mond vorbei.
Nach 8 Minuten passieren wir die Sonne, nach einer Dreiviertelstunde den
Jupiter. Bis zum letzten der großen Planeten, dem Pluto, brauchen wir (auch als
Lichtstrahl) eine Reisezeit von 7 Stunden. Beim Weiterfliegen erreicht der
Lichtstrahl nach 35 Stunden die äußeren Grenzen des Sonnensystems. Dann fliegen
wir lange durch leeren Raum und erreichen erst nach über 4 Jahren den
„nächsten“ Nachbarstern der Sonne. Beim Weiterflug begegnet uns aller 5 bis 10
Jahre ein weiterer Stern. Erst nach 100.000 Reisejahren lassen wir die letzten
Sterne hinter uns, die zu unserer Heimatgalaxis gehören. Dann wird es einsam um
uns her. Erst nach weiteren 2 Millionen Jahren erreichen wir unsere
nächstgelegene Nachbargalaxis, den Andromedanebel, nach 43 Millionen Jahren
treffen wir auf die erste größere Ansammlung von Galaxien, den Virgo-Haufen ...
Für unsere Alltagserfahrungen nicht fassbare Dimensionen tun sich auf.
Medien und Science-Fiction-Literatur spekulieren immer
wieder über die Existenz anderer Zivilisationen im Universum, über die
Möglichkeit von Kontakten, vielleicht sogar direkten Begegnungen. Angesichts
der wirklichen Dimensionen des Kosmos warnen die meisten Fachleute hier vor zu
großen Erwartungen. Die Radiowellen, die wir Menschen seit reichlich 100 Jahren
aussenden, sind erst 100 Lichtjahre weit vorangekommen, haben also erst wenige
Nachbarsterne in unserer Galaxis erreicht. Ob dort jemand ist, der die Signale
bemerken kann? Ob ihm das wichtig genug ist, um gezielt zu antworten? Und wenn,
dann erreichen uns seine „Antworten“ Jahrzehnte oder Jahrhunderte später, als
wir unsere „Fragen“ losgeschickt haben (trotzdem sich Funkwellen mit
Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, dauert das so quälend lange). „Richtige“
Besuche bei möglichen Nachbarn werden wegen der riesigen Entfernungen wohl nie
Wirklichkeit werden - allen Spekulationen über Abkürzungen durch „Wurmlöcher“
oder doch mögliche Überbietung der Lichtgeschwindigkeit zum Trotz.
Fotografierte Illusionen: Wir sehen den Kosmos nicht, wie er ist, sondern wie er in der Vergangenheit war
Die Geschwindigkeit des Lichtes stellt nach den Erfahrungen
der Physik eine nicht überbietbare Höchstgrenze für die Übertragung von Materie
wie von Informationen dar – diese Erkenntnis der Physik führt zu einer weiteren
Situation, die mit unserem Alltagserleben schwer verträglich ist.
Die
großartigen Bilder der Sternenwelt, die wir am Himmel bewundern und beobachten,
sind alle Illusion! Es mag absurd klingen, aber wenn wir den Blick den
Gestirnen zuwenden, blicken wir in lauter verschiedene Vergangenheiten. Weil
das Licht nicht augenblicklich zu uns gelangt, sondern mit endlicher
Geschwindigkeit unterwegs ist, sehen wir am Himmel Bilder aus der
Vergangenheit. Die Planeten, die Sterne, die Galaxien, die wir beobachten,
zeigen sich uns in einem Zustand, den sie vor Minuten, Jahrhunderten oder
Jahrmillionen hatten. Unser Auge, unsere Fotografien zeigen ein Gemisch von
Bildern aus verschiedenen Vergangenheiten. Manche Sterne, die uns heute
beeindrucken, sind vielleicht schon vor Millionen von Jahren erloschen oder
explodiert, das Licht anderer (das sie schon seit Jahrtausenden aussenden) hat
uns noch gar nicht erreichen können. Die Kosmologie verrät uns also letztlich
nichts über das derzeitige Universum, sondern über das vergangene: Je tiefer
wir ins All schauen, desto tiefer blicken wir in die Vergangenheit – einfach weil
das Licht immer länger unterwegs ist.
Auch die „Stern-Bilder“, die wir Menschen uns am Himmel vorstellen (und mit
denen in der Astrologie Eigenschaften von Menschen auf der Erde hier und heute
verknüpft werden), bestehen aus Sternen, die in ganz unterschiedlicher
Entfernung stehen, nichts miteinander zu tun haben und längerfristig ganz
anders aussehen werden (Verzerrungen).
„Wir sind Sternenstaub“ -
„Zigeuner am Rande des Universums“ oder „Kinder des Weltalls“
Wie geht es mir mit den Größenordnungen im Kosmos, mit
Erscheinungen am Sternenhimmel, die ich sehen und fotografieren und ausmessen
kann - und die doch Illusion sind?
Was bedeutet das für mich, wenn ich erfahre: „Wir sind Sternenstaub“? Wenn ich
mir klar mache, dass unsere Erde zusammen mit der Sonne als Staubkorn in diesem
gigantischen Universum unterwegs ist – empfinde ich die Leere und Kälte und das
Alleinsein vielleicht schmerzlich, meine Existenz als sinnlos? Oder komme ich
gerade ins Staunen, empfinde Geborgenheit auf dem blauen Planeten, der mir
Heimat ist, bin dankbar dafür, dass ich bei dem „Experiment Leben“ dabei sein
darf, mir darüber Gedanken machen kann?
„Wenn ich ansehe den
Himmel, deiner Hände Werk, den Mond und die Sterne, die du gemacht hast –
was ist der Mensch, dass du
an ihn denkst?“
(Die Bibel, Psalm 8, vor 2500 Jahren)
Der Nobelpreisträger Jacques Monod schrieb (in seinem Buch
„Zufall und Notwendigkeit“) seine Deutung und Welterfahrung nieder:
„Wenn er diese Botschaft in
ihrer vollen Bedeutung aufnimmt, dann muss der Mensch endlich aus seinem tausendjährigen
Traum erwachen und seine totale Verlassenheit, seine radikale Fremdheit
erkennen. Er weiß nun, dass er seinen Platz wie ein Zigeuner am Rande des
Universums hat, das für seine Musik taub ist und gleichgültig gegen seine
Hoffungen, Leiden oder Verbrechen.“
ABER:
In den letzten Jahrzehnten hat sich herausgestellt, dass diese Weltsicht in
wesentlichen Zügen falsch ist.
Was im Weltall geschieht, das wenige tausend Meter über uns beginnt, ist alles
andere als bedeutungslos für uns und unsere Existenz. In der Welt, in der wir
uns vorfinden, ist alles eng miteinander verknüpft, das Größte mit dem Kleinsten,
das uns Allernächste mit dem, was sich an den (räumlichen und zeitlichen)
Grenzen des für uns beobachtbaren Universums abspielt. Die Welt ist
durchdrungen von Kräften und Gesetzen, unter deren Einfluss sie wirklich zu
einem UNIversum wird (das Wort meint: das EINE, das GANZE, ALLes), einer
geordneten Gestalt, in der das Nächste und das Fernste voneinander abhängig sind,
einander bestimmen. Unsere Erde ist mit dem Universum verwachsen wie eine
Pflanze mit tausend Wurzeln.
Das Universum ist nicht ein Ort in zeitloser Ruhe und Unbeweglichkeit, sondern
es ist Schauplatz einer Geschichte, befindet sich ständig in Veränderung und
Entwicklung.
Wir beginnen heute zu entdecken, dass dieser Weltraum in seiner räumlichen und
zeitlicher Erstreckung notwendig war, um uns hervorzubringen und zu erhalten.
Wir sind: „KINDER DES WELTALLS“ (so Hoimar von
Ditfurth).
Was unsere Existenz mit dem Geschehen am gestirnten Himmel zu tun hat, das ist
ganz anders, als das die Astrologie vermutet und behauptet (hat). Wir werden
von Geschehnissen beeinflusst, die hier und heute in unserer Nähe stattfinden,
und von anderen, die vor langer Zeit und weit entfernt stattgefunden haben.
Zu berichten ist eine Geschichte von Katastrophen, die aber
auch voller Überraschungen war, einer ständigen Gratwanderung zwischen der
Gefahr der Vernichtung und der Chance zu immer neuen Anfängen.
Im Weiteren wollen wir den Stichworten in unserem poetisch
formulierten Thema folgen: Sonne, Mond und Sterne ..., aber in geänderter
Reihenfolge vorangehen, vom Großen zum Kleinen, vom weit entfernten Ereignissen
zum Geschehen in unserer näheren Umgebung (vom Anfang von Allem im „Urknall“
über die Bildung von ersten Sternen und Galaxien bis zu „unserer“ Sonne und dem
Einfluss, den auch der Mond und Meteoriten ausüben).
5. Ein
Kosmos in Bewegung
Nicht nur unser Bild, unsere
Vorstellungen von Größe und Tiefe des Kosmos haben sich verändert. Die neuen
naturwissenschaftlichen Befunde führten zu einer zweiten Einsicht: Das
Universum selbst erfährt ständige Veränderung.
Seit den 1920er Jahren
häufen sich die Hinweise und Beobachtungen dafür, dass unser Universum in
Bewegung ist, dass es sich ständig weiter ausdehnt, dass es eine einmalige
Geschichte durchläuft, dass es auch im Dasein der Sterne und Galaxien Werden
und Vergehen gibt.
Einige wesentliche Hinweise sollen
nur knapp erwähnt werden:
A) Entdeckung der „Rotverschiebung“:
Die Strahlung, die von fernen Himmelsobjekten ausgesandt wird, kommt auf
der Erde in Form anderer Wellenlängen an, als das eigentlich physikalisch zu
erwarten wäre (sie sind im Spektrum in Richtung roter, d.h. längerer Wellenlängen
„verschoben“). Je weiter Objekte entfernt sind, desto stärker ist diese Rotverschiebung.
Gedeutet wird diese Erscheinung in Analogie zum so genannten „Dopplereffekt“:
Wenn sich ein Rettungsauto mit Sirene nähert, nehmen wir den Ton heller wahr
als wenn es sich von uns entfernt (jetzt werden die Wellenlängen der
Schallwellen gedehnt und wir hören tiefere Töne). Wohin wir unsere Teleskope
auch richten – alle Galaxien rücken offenbar immer weiter voneinander weg
(„Galaxienflucht“). Die Schlussfolgerung: Der Kosmos wird ständig größer.
Die Kosmologen stellen sich das Weltall als eine Art
Hefekuchen vor, der mit 100 Milliarden Rosinen (das sind die Galaxien) gespickt
ist. Dehnt sich der Kuchen aus, entfernen sich alle Rosinen voneinander, egal,
von welcher Rosine aus man die übrigen betrachtet – immer scheint alles vom
eigenen Standpunkt wegzustreben. Ein Zentrum gibt es nicht. Die Entfernung zu
weit entfernten Galaxien (Rosinen) nimmt danach nicht etwa zu, weil diese sich
durch den Raum von uns weg bewegen, sondern weil sich der Raum selbst
ausdehnt und die Galaxien dabei mitreißt.
B) Entdeckung der „kosmischen Hintergrundstrahlung“:
Seit den 1960er Jahren weiß man: Eine schwache Strahlung erfüllt das
Weltall. Sie erreicht uns aus allen Richtungen gleichförmig. Gedeutet wird sie
als das schwache „Wetterleuchten“ oder Echo, das von einem gewaltigen
Energieblitz geblieben ist, in dem und mit dem unser Universum seinen Anfang
nahm, und der sich inzwischen auf 2,7 Grad Kelvin über dem absoluten Nullpunkt
abgekühlt hat. Die Existenz dieser kosmischen Hintergrundstrahlung war von der
Urknalltheorie genau so vorhergesagt worden; ihr Nachweis stellte damit eine
Bestätigung der Hypothesen dar.
C)
Häufigkeit der chemischen Elemente Wasserstoff und Helium im Kosmos:
Wasserstoff-Atome haben heute im Kosmos einen Anteil an
allen Atomen von etwa 92 Prozent (das entspricht einem Anteil an der Masse des
Kosmos von etwa 75 Prozent), Atome des Elements Helium stellen etwa 8 Prozent
(das entspricht einem Masseanteil von etwa 25%); der „Rest“ von anderen
Atomen, aus denen die Planeten oder unsere Körper bestehen, spielt in der
Gesamtbilanz des Kosmos fast keine Rolle. Dieses Verhältnis von
Wasserstoffatomen zu Heliumatomen stimmt recht genau mit den theoretischen
Berechnungen nach dem „Urknall“-Modell überein. Derart viel Helium kann aus
physikalischen Gründen nur durch Kernverschmelzung von Wasserstoffatomen bei
Temperaturen von Milliarden Grad gebildet worden sein – gerade solchen
Bedingungen, wie es sie nur (und nur für extrem kurze Zeit) im „Superstern“ des
Urknalls gegeben hat!
Diese und weitere Beobachtungen haben sich in den letzten
Jahren immer mehr verdichtet zu der Vermutung: Das Universum existiert doch
nicht seit Ewigkeiten. Es hat einen Anfang gehabt, im so genannten „URKNALL“
(vielleicht sollte man angemessener vom URSPRUNG sprechen). Dass es diesen
Urknall gegeben hat, ist heute die Grundüberzeugung fast aller Astronomen und
Kosmologen. Sie arbeiten mangels überzeugenderer Alternativen mit diesem
„Standardmodell“, in das sich die meisten Beobachtungen gut einfügen. Wenn
Medien trotzdem hin und wieder von heftigen Kontroversen in der Wissenschaft
berichten, dann sind das Streitigkeiten über Details, die aber weiter im Rahmen
der Urknall-Vorstellungen bleiben (eine der umstrittenen Fragen lautet z.B.:
ist das Weltall 10 oder ist es 20 Milliarden Jahre alt? – aber niemand
diskutiert ernsthaft über einen Zeithorizont von Millionen oder gar nur
Zehntausenden von Jahren).
Hinter dem Urknall-Modell stehen folgende Überlegungen: Wenn
wir beobachten, dass das All sich immer weiter ausdehnt, legt sich die
Vermutung nahe, dass es diese Expansion auch früher gegeben hat. Wir könnten
dann den „Film“ unserer Beobachtungen quasi rückwärts laufen lassen. Die
Galaxien würden immer enger zusammenrücken. Das Universum würde immer mehr
schrumpfen und dabei immer dichter und immer heißer werden, bis der Raum, die
Materie, die Energie extrem konzentriert sind, sich letztlich in einem Punkt
vereinigen.
Ein Kosmos, der sich in einem Punkt findet, der unendlich dicht, unendlich
heiß ist – das ist der Anfang der Welt aus der Sicht der heutigen Physik. Vor
etwa 14 Milliarden Jahren sind Energie und Materie, Raum und Zeit in einer
gewaltigen Explosion entstanden, die das Universum noch heute immer weiter
auseinander treibt, und wahrscheinlich wird diese Ausdehnung auch in Zukunft
weitergehen.
In den zurückliegenden Milliarden von Jahren hat das
Universum eine einmalige Geschichte durchlaufen. Immer wieder sind neue
Möglichkeiten der Entwicklung aufgetreten, aber längst nicht alle sind in der
Geschichte des Kosmos genutzt worden. Die Bewegung des Kosmos hat lokal zu
immer komplexeren Strukturen geführt. Und manches dabei gab Anlass zum
Staunen, zum Wundern - auch für viele Kosmologen - dass diese Entwicklung
scheinbar so zielgerichtet lebensfreundliche Bedingungen hervorgebracht hat,
zum Menschen hinführt, und dass nichts weniger als ein ganzer Kosmos wie der
unsere in seiner Größe und Dauer nötig war, damit es diese winzige Erde und uns
Menschen geben konnte.
Anlass zum Staunen?
WARUM hat es einen Urknall
gegeben?
Warum ist überhaupt ETWAS
und nicht NICHTS?
Warum gibt es ORDNUNG (z.B.
in den Naturgesetzen)?
Warum gelten gerade die Naturkonstanten, die unsere Welt bestimmen
(Feiabstimmung)?
Es
ist wohltuend zu wissen, dass wir gerade in einem „mittleren“ Universum leben:
- Wäre der Schwung des Urknalls stärker gewesen – das All wäre so gewaltig
auseinandergestoben,
dass sich nie „Klumpungen“ in Gestalt
von Sternen und Galaxien hätten bilden können.
-
Bei einem schwächeren Urknall wäre das Universum schnell wieder in sich
zusammengestürzt, dabei
wäre alle Materie zu Eisen
zusammengebacken worden.
-
So aber hatte das Weltall genügend Zeit für das Werden und Vergehen mehrerer
Generationen von
Sternen – es waren immerhin 14
Milliarden Jahre nötig, bis sich auf dem Planeten Erde intelligentes
Leben entwickeln könnte.
Übrigens:
Die spannende Geschichte, die die Physiker sich heute erzählen, dass aus einem
heißen Staubkorn, kleiner als ein Atomkern, unser ganzer Kosmos herausgeplatzt
ist – das klingt mindestens so wunderbar und märchenhaft wie manche
Geschichten von der Weltentstehung, die uns aus alten Zeiten überliefert sind!
5.1. Der
Anfang: ein heißer Tanz
Hier soll knapp dargestellt werden, was die
Naturwissenschaft derzeit über das Ereignis Urknall erzählt. Genau genommen
beschreibt das Urknall-Modell nicht die Entstehung der Welt, sondern ihre
Entwicklung nach dem Zeitpunkt Null.
Die Wissenschaftler haben sich geeinigt, die Weltuhr bei 10-43
Sekunden starten zu lassen (ausgeschrieben heißt das: Null Komma, dann 42
Nullen und danach eine Eins, also ein unvorstellbar kurzer Bruchteil einer
Sekunde).
Warum starten sie Ihr Modell nicht zur Zeit Null? Und was
sagt die Wissenschaft über die Zeit VOR dem Urknall? Die Antwort, die auch
viele Naturwissenschaftler geben, heißt nüchtern: Hier sind wir nicht
zuständig. Raum, Zeit, Energie – alles, was wir untersuchen können - gibt es
erst seit dem Urknall. Für die erste „heiße Phase“ des Kosmos sind Beschreibungen
und Berechnungen mit den uns bekannten Naturgesetzen und Erfahrungen nicht
möglich. Dort spielen sowohl die Quantenphysik (gültig nur in kleinsten
Dimensionen) als auch Gravitationseffekte (die normalerweise nur in kosmischen
Größenordnungen wirksam werden) eine Rolle, für deren gleichzeitiges Wirken
bisher keine einheitliche Theorie existiert. Natürlich versuchen auch
Wissenschaftler trotz dieser schmerzlichen Einsichten immer wieder, in diesen
Grenzbereichen doch zu Aussagen zu kommen, aber alles, was dazu (auch von
Nobelpreisträgern) geäußert wird, hat den Charakter von kühnen Vermutungen und
Spekulationen.
Am Anfang, sagt die Physik, war alles im bekannten Universum
(Zeit, Raum, Materie, Energie) in einem einzigen Punkt unendlich dicht
beisammen (ein wahrhaft einmaliger Zustand, die so genannte SINGULARITÄT). Das
ganze Universum war viel kleiner als ein Atomkern (10-33cm), und es
war 1032 Grad heiß (ausgeschrieben eine 1 mit 32 Nullen dahinter!).
„Vorstellen“ können wir uns einen brodelnden Brei, in dem Energie-Blitze und
materielle Teilchen durcheinanderwirbeln. Energie materialisierte sich in
Paaren aus Elementar-Teilchen, von denen jeweils eines aus Materie und das
andere aus Antimaterie bestand. Kaum gebildet, prallten sie gleich wieder
zusammen, vernichteten einander und zerstrahlten zu Energie. In diesem Inferno
bildete sich ein geringer Überschuss an Materieteilchen, die der Vernichtung
durch Zusammentreffen mit ihren Antiteilchen entgingen (warum nicht genau
gleiche Anteile an Materie und Antimaterie entstanden, ist physikalisch
bisher nicht eindeutig geklärt). Der Ur-Kosmos platzte auseinander und kühlte
sich dabei ab (nach 1 Sekunde war es noch immer 1000x so heiß wie im Inneren
der Sonne). Die Materieteilchen, zunächst einfachste Grundbausteine der
Welt („Quarks“), konnten nun auf Dauer existieren, und sie lagerten sich zu
Protonen und Neutronen zusammen, aus denen einfache Atomkerne gebildet wurden.
Etwa drei Minuten nach dem Urknall war diese Phase abgeschlossen.
Der Kosmos breitete sich ständig weiter aus. In seiner
frühen Phase bestand das Universum aus einem heißen, dichten („ionisierten“)
Gas, das noch undurchsichtig blieb, weil die Lichtteilchen ständig mit den
Materieteilchen zusammenstießen. Erst nach etwa 380000 Jahren war es so weit
abgekühlt, dass die Atomkerne Elektronen an sich binden und stabile Atome
bilden konnten. Nun war das Universum „fertig“, und es war ein sehr einfach
strukturiertes Universum. Es enthielt nur die leichtesten chemischen Elemente,
bestand im Wesentlichen aus Atomen der Gase Wasserstoff (drei Viertel der
Masse) und Helium (ein Viertel) – schwerere Atomkerne, die heute ganz wesentlich
unseren Alltag bestimmen, gab es unmittelbar nach dem Urknall noch nicht!.
Vom Blitz des Urknalls übrig geblieben war auch Strahlung, die den Kosmos
erfüllte, sich ausbreitete und dabei abkühlte.
Ein
solches Universum aus einfachen Gasen ist physikalisch stabil, und es hätte
ewig so bleiben und sich lediglich immer weiter ausbreiten können.
Geschichte des Universums (Modell „Heißer Urknall“)
|
abgelaufene
Zeit |
Ereignisse |
Temperatur |
|
0 |
„Urknall“; Raum, Zeit und
Materie sind in einem unendlich kleinen und unendlich heißen Punkt konzentriert;
die Zustände und Prozesse sind mit der uns bekannten physikalischen
Erfahrungen und Methoden nicht vollständig zu fassen |
??? |
|
10-43 Sekunden |
Raum, Zeit und Materie
entstehen; Quanten- und Gravitationstheorie stehen in Wechselwirkung (eine
„vereinheitlichte Theorie“ zur Beschreibung dieses Zustandes ist bisher
nicht vorhanden) |
1032 Grad |
|
10-39 Sekunden |
der ganze Kosmos dehnt sich
kurzzeitig beschleunigt aus (exponentielle Ausdehnung, „Inflation“) |
|
|
10-34 Sekunden |
Quarks und Anti-Quarks werden
gebildet |
1027 Grad |
|
10-10 bis 10-5
Sekunden |
Bildung von Protonen, Neutronen,
Mesonen; Verschwinden der Anti-Quarks |
1015 Grad |
|
0,01 bis 3 Sekunden |
Protonen und Neutronen schließen
sich zu Atom-Kernen zusammen (Wasserstoff und Helium) |
1010 Grad |
|
3 Minuten |
Strahlung ist noch so intensiv,
dass sie Atomkerne und Elektronen trennt (Ionisation; noch Kopplung von
Materie und Strahlung) |
109 Grad |
|
380.000 Jahre |
Elektronen und Atomkerne treten
zu Atomen zusammen; Materie und Strahlung sind entkoppelt: das All wird
durchsichtig |
3000 Grad |
|
200 Millionen Jahre |
aus Gaswolken bilden sich erste Sterne
und Galaxien; im Inneren von massereichen Sternen werden nun (die
Temperaturen erreichen noch einmal Millionen und Milliarden von Grad, aber es
steht diesmal viel mehr Zeit zur Verfügung als im Blitz des Urknalls) auch
schwerere Atomkerne „zusammengebacken“; der „Sternenstaub“ wird bei
Explosionen im Weltall verstreut |
|
|
7 Milliarden Jahre |
die „dunkle Energie“ beginnt,
die Ausdehnung des Universums (erneut) zu beschleunigen |
|
|
9,1 Milliarden Jahre |
„unsere“ Sonne (als Stern der 3.
Generation) und ihr Planetensystem entstehen aus Gas- und Staubwolken, die
von früheren Sternexplosionen übrig geblieben sind |
|
|
13,7 Milliarden Jahre |
Gegenwart |
3 Kelvin |
|
19 Milliarden Jahre |
die Sonne bläht sich zum „Roten
Riesen“ auf, dessen äußere Hülle bis zur Erdbahn reicht |
|
|
ferne Zukunft |
das Universum dehnt sich immer
weiter aus, wird immer dunkler und immer kälter |
|
5.2. Vom Leben und Sterben der Sterne
Es vergehen etwa 200
Millionen Jahre, bis sich etwas Neues ereignet. Im Großen geht die Ausdehnung
des Universums ständig weiter, aber lokal beginnt nun eine zweite Kraft zu
wirken, die Schwerkraft. Sie wirkt der Ausdehnung entgegen. In Regionen, in
denen sich zufällig etwas größere Konzentrationen an Wasserstoff befinden,
klumpt das Ur-Gas zusammen. Die Schwerkraft beginnt unerbittlich zu wirken,
die Gaswolke verdichtet sich immer mehr, beginnt zu rotieren, bildet eine
Scheibe. In deren Zentrum steigt die Temperatur unter dem Druck der zusammenstürzenden
Moleküle immer mehr an. Bei etwa 10 Millionen Grad setzen Kernverschmelzungsprozesse
ein: Im einfachsten Fall, in der ersten Stufe, bildet sich aus vier Kernen von
Wasserstoffatomen der Kern eines Heliumatoms. Bei diesem Prozess „verschwindet“
ein Teil der Masse der Atomkerne – diese Masse wird als Energie (Strahlung)
freigesetzt, die den neu entstandenen Stern zum Leuchten bringt. Der Druck der
ausgesandten Strahlung wirkt der Schwerkraft entgegen. Es stellt sich ein
Gleichgewicht ein, in dem der Stern nicht weiter zusammenstürzt, sondern mit
Hilfe der erzeugten Fusionsenergie seinen Zustand stabilisieren kann. Sein
atomares Feuer kann Jahrmillionen oder auch Jahrmilliarden lang brennen.
Solche Sternbildungs-Prozesse finden auch heute noch statt und können
beobachtet werden. In unserer Galaxie „zünden“ etwa drei neue Sterne in jedem
Jahr.
Es wird also noch einmal heiß im Kosmos. Im Inneren der Sterne kommt es noch
einmal zu physikalischen Verhältnissen, wie sie nur in den ersten Sekunden
des Urknalls geherrscht haben, nur läuft der Prozess diesmal umgekehrt ab: es
wird nicht kälter, sondern allmählich immer heißer, und es steht viel mehr
Zeit zur Verfügung.
|
Ein STERN ist ein
Objekt, das aus eigener Kraft leuchtet und seine Energie aus
Kernfusionsprozessen bezieht |
||
|
Größe
des Sterns |
„Lebensdauer“ |
Oberflächentemperatur |
|
0,1 |
200
Milliarden Jahre |
|
|
0,3 |
100
Milliarden Jahre |
3500 |
|
1 |
10
Milliarden Jahre |
6000 |
|
15 |
10
Millionen Jahre |
18000 |
|
120 |
wenige
Zehntausend Jahre |
|
Der weitere Lebenslauf der Sterne, die jetzt entstehen, ist
abhängig davon, wie viel Masse sie haben. Und ihr Lebenslauf hat auch
Bedeutung für die weitere Geschichte des Kosmos.
5.2.1.
Unsere Sonne – ein ganz normaler Stern
Bei der Entstehung einer Sonne mit der Masse unseres
Heimatsterns stürzt die Gaswolke zunächst unter Wirkung der Schwerkraft
zusammen. In ihrem Zentrum beginnt nach etwa 10 Millionen Jahren das
Wasserstoff-Feuer stabil zu „brennen“. Etwa 10 Milliarden Jahre lang reichen
die Wasserstoffvorräte, um diesen Prozess der Verschmelzung zu Heliumatomen
aufrecht zu erhalten.
Bis heute hat die Sonne etwa die Hälfte ihrer „Lebenszeit“
hinter sich gebracht. In etwa 1 Milliarde Jahren wird ihre Leuchtkraft um 10
Prozent zugenommen haben. Für die Erde bedeutet das, dass die
Jahresmitteltemperatur von heute 15 Grad auf 50 Grad Celsius zunehmen wird, mit
der Folge schmelzender Polkappen, Zunahme der Verdunstung in den Ozeanen und
einem dadurch bewirkten starken Treibhauseffekt. In 3 ½ Milliarden Jahren ist die Erdkruste ausgetrocknet
und alles Wasser verdunstet. Und weitere 2 Milliarden Jahre später bläht sich
der Stern am Ende seines Daseins in einem letzten Aufbäumen auf und
verschlingt die Planeten Merkur und Venus.
Wenn nämlich nach 10 Milliarden Jahren der
Wasserstoff-Vorrat weitgehend aufgebraucht ist (nur etwa 10 Prozent im Kern
werden tatsächlich „verbrannt“), reicht der Strahlungsdruck nicht mehr aus, um
den Stern gegen den Druck der Schwerkraft zu stabilisieren. Die Kräfte der
Gravitation drücken den Kernbereich des Sterns immer weiter zusammen. Die
Temperatur steigt, erreicht 100 Millionen Grad, und jetzt können
Heliumatomkerne zu Kohlenstoff und Sauerstoff verschmelzen. Erneut wird
Energie freigesetzt, und der Strahlungsdruck von innen her bläht den Stern zum
„Roten Riesen“ auf, der jetzt die 100-fache Größe und die 1000-fache
Leuchtkraft im Vergleich zu vorher erreicht. Wenn die Heliumvorräte im
Kernbereich „verbrannt“ sind, sind bei einem Stern mit der Masse der Sonne
keine weiteren Fusionsprozesse mehr möglich. Die Gravitation drückt den Stern
nun unerbittlich immer weiter zusammen. Er stößt seine Gashülle ab. Übrig
bleibt ein „Weißer Zwerg“, ein Reststern aus zusammengepresster Materie mit
etwa 10.000 Kilometern Durchmesser (das entspricht etwa der Größe der Erde),
der langsam dunkler wird und auskühlt und dann als „schwarzer Zwerg“ durchs All
treibt. Der übrig gebliebene Zwergstern hält alle chemischen Atome fest, die
sich im Laufe seines „Lebens“ gebildet haben (neben Helium vor allem
Kohlenstoff und Sauerstoff). Sie stehen für die weitere Entwicklung im Kosmos
nicht zur Verfügung.
5.2.2. Das
Schicksal von Sternen, die schwerer sind als unsere Sonne
Das Schicksal von Sternen, die etwa 10 x so schwer sind wie
unsere Sonne, verläuft ganz anders, endet viel dramatischer und ist von
besonderer Bedeutung für die weitere Geschichte des Universums.
Massereiche Sterne leben nicht etwa länger als leichtere
Sterne, ihre Lebensdauer erreicht manchmal nur einige Millionen Jahre. Sie
gehen viel verschwenderischer mit ihren Gasvorräten um, „verbrennen“ ihre
Rohstoffe in einem gigantischen Feuerwerk und hauchen ihr Leben in einer
gewaltigen Explosion aus.
Wenn in der ersten Phase der Wasserstoffvorrat in der
Kern-Zone zu Ende geht, kann der Strahlendruck der Schwerkraft nichts mehr
entgegensetzen. Der Druck steigt unerbittlich, der Kern des Sterns wird weiter
zusammen gepresst, wobei die Temperatur ständig ansteigt. Bei 100 Millionen
Grad beginnen die Heliumatome zu Kohlenstoff zu verschmelzen. Nach dem Aufbrauchen
der Heliumvorräte stürzt der Stern weiter zusammen, die Temperatur steigt. Von
Stufe zu Stufe wird es heißer, und die Brenn-Phasen dauern immer kürzer
(zuletzt sind es Wochen, Stunden, Minuten und schließlich Sekunden). Immer schwerere
Atomkerne werden zusammengebacken, am Ende entstehen – bei einigen Milliarden
Grad - Silizium und Eisen. Bis zur Bildung von Eisenatomen liefern die
physikalischen Prozesse Energie, die freigesetzt wird. Damit ist jetzt Schluss
– die Fusion noch schwererer Atomkerne verbraucht Energie, die von außen
zugeführt werden müsste. Aber die Kraft der Gravitation drückt den Stern
unerbittlich weiter zusammen. Nun ist der Zusammenbruch nicht mehr
aufzuhalten. Der Stern stürzt in weniger als 1 Sekunde in sich zusammen, um jedoch
gleich wieder zu explodieren. Dabei schleudert er seine gesamte Hülle – Wolken
aus Gas und Staub - ins Weltall. Am Himmel erstrahlt eine „Supernova“ (= neuer,
super-hell aufstrahlender Stern). Ein solches Ereignis geschieht in unserer
Galaxis etwa drei Mal in 100 Jahren. Der explodierende Stern leuchtet heller
als die ganze Milchstraße, setzt im Moment so viel Strahlung frei, wie sie unsere
Sonne in 10 Milliarden Jahren produziert. Bei dieser Sternenexplosion herrscht
ein höllisches Inferno, in dem noch höhere Temperaturen erreicht werden als
je vorher (100 Milliarden Grad). Und diese Energie reicht aus, auch sehr
schwere Atomkerne „zusammenzubacken“. Erst bei der Explosion einer Supernova
– und nur hier – entstehen alle übrigen der 92 chemischen Elemente, die
schwerer sind als Eisen und die wir in der uns umgebenden Natur vorfinden.
Bei dem geschilderten Geschehen handelt es sich nicht um
wilde Spekulationen. Alle Phasen im Leben eines Sterns können (bei der
Vielzahl der zur Verfügung stehenden Objekte) auch irgendwo am Himmel beobachtet
werden. Theoretische Vermutungen lassen sich im kosmischen Geschehen
nachprüfen.
Neutronensterne und Schwarze Löcher
Wenn ein Stern mit etwa 8
Sonnenmassen als Supernova explodiert, entsteht aus dem Rest-Kern (1,5 bis 2
Sonnenmassen schwer) ein „Neutronenstern“. Die Atomkerne sind jetzt dicht
zusammengepresst. Der Neutronenstern hat einen Durchmesser von 10 bis 20
Kilometer, und er dreht sich 30 mal oder auch 100 mal in einer Sekunde um sich
selbst und sendet Röntgenstrahlung aus (solche „Pulsare“ können beobachtet
werden).
Wenn Riesen-Sterne ursprünglich mehr als 25 Sonnenmassen schwer waren, geht der
Zusammenbruch noch über den Zustand des Neutronensterns hinaus. Nach der
Explosion übrig bleibende Sternen-Kerne von mehr als 3 Sonnenmassen stürzen
unaufhaltsam weiter zusammen zu so genannten „Schwarzen Löchern“ (unsere Erde
hätte als „Schwarzes Loch“ einen Durchmesser von 1,8 Zentimetern). Sie
„verschwinden“ gewissermaßen aus unserem Universum, können direkt nicht mehr beobachtet
werden. Die von Ihnen ausgeübte Schwerkraftwirkung ist so stark, dass nicht
einmal mehr Lichtstrahlen von Ihrer Oberfläche entweichen können (sie
erscheinen „schwarz“, daher der Name). Man nimmt heute an, dass sich im Zentrum
aller Galaxien gigantische Schwarze Löcher befinden. Und man meint indirekte
Beweise dafür zu haben, dass es diesen Materiezustand wirklich gibt. Zum einen
kann man Sterne beobachten, deren Bewegungen nur zu erklären sind, wenn man
annimmt, dass sie einen unsichtbaren Begleiter haben, der nicht zu sehen ist,
sondern sich nur durch seine Gravitationswirkung verrät. Zum zweiten „fressen“
Schwarze Löcher ständig Materie in sich hinein, die ihnen zu nahe kommt. Aus
physikalischen Gründen wird aber ein Teil der Materie, die von außen in
Schwarze Löcher hineinströmt, in Strahlung umgewandelt – und diese Strahlung
lässt sich beobachten.
Von besonderer Bedeutung ist, dass der größte Teil der
Materie, die sich im Inneren des Sterns gebildet hat, durch die gewaltige
Explosion ins Weltall hinausgetragen wird. Eine Wolke aus Gas und Staub (die
nun erstmals alle chemischen Elemente enthält), rast mit einer
Geschwindigkeit von einigen Zehntausend Kilometern in der Sekunde davon.
Dieser „Sternenstaub“ (im Wortsinne: auch jetzt noch rieseln
jedes Jahr etwa 40.000 Tonnen kosmischen Materials auf die Erde herunter) steht
nun als Baumaterial für eine neue Sternengeneration zur Verfügung. Eine erste
Generation von Riesen-Sternen musste entstehen und wieder vergehen, damit die
Materialien zur Verfügung standen, aus denen sich unser Sonnensystem mit
seinen Planeten aus Gestein und Eisen gebildet hat. Das Leben auf der Erde
trägt die Stoffe in sich, die vor Milliarden von Jahren im Glutfeuer von
solchen Sternen zusammengebacken wurden.
Das gibt der Aussage, dass wir „Sternenstaub“ sind, eine
zweite inhaltliche Bedeutung - in einem ganz handfesten und materiellen
Sinne. In jedem Stickstoffatom in Zellen unserer Haut oder in den Eisenatomen
in unseren roten Blutkörperchen tragen wir die Erinnerung an längst
vergangene Zeiten in der Geschichte des Universums in uns. Aber auch das
poetische Bild vom „Sternenstaub“ bildet nur die materielle Seite unserer
Existenz ab – eine Schaufel Staub ist noch lange kein Mensch!
Explodierende
„Super-Novae“ sind unverzichtbar als Zauberküche, in der es erst möglich wird,
dass ALLE chemischen Bausteine für unsere Welt entstehen.
Aber
sie erweisen sich auch als gefährlich für das Leben auf der Erde. Alle paar
hundert Millionen Jahre explodiert ein solcher Riesenstern in der „Nähe“
unserer Erde (d.h. im Umkreis von 30 Lichtjahren). Dabei kommt es zu einer starken
Freisetzung von Strahlung, die Auswirkungen auf das Klima (Zerstörung der
Ozonschicht), aber auch auf Lebewesen hat (direkte Strahlenschäden,
Veränderungen im Erbgut). Die Strahlung ist gefährlich – sie ist aber auch
zugleich Ursache für Mutationen, Veränderungen im Erbgut, durch die neue
Eigenschaften in Lebewesen entstehen können, Entwicklung möglich wird ...
5.3. Die
Zukunft des Universums
Auf die Frage nach dem weiteren Schicksal des Universums
gibt es nur spekulative Antworten – wir wissen einfach noch zu wenig.
Nach
der einen Vorstellung siegt am Ende doch die Schwerkraft. Die Ausdehnung des
Universums hört nach vielen Milliarden Jahren auf. Der „Film“ beginnt
gewissermaßen rückwärts zu laufen. Alle Materie bewegt sich (wieder) aufeinander
zu, die Galaxien rücken zusammen, es wird immer dichter und immer heißer, bis
am Ende Zustände herrschen wie zur Zeit des Urknalls: Zum Schluss wäre der
ganze Kosmos wieder vereinigt in einem Punkt. Hier kann auch weiter spekuliert
werden, ob das Universum vielleicht sofort wieder in einem neuen Urknall
auseinander platzt, ob es vielleicht in der Vergangenheit schon mehrere solche
Phasen der Ausdehnung und Kontraktion gegeben hat – eine wiederholbare,
unendliche Geschichte.
Gegen dieses Modell sprachen aber derzeit die Beobachtungen
der Physiker. Nach dem derzeitigen Erkenntnisstand ist einfach nicht genug
Masse im Universum vorhanden, die die Umkehr erzwingen könnte (nach den
heute möglichen Messungen fehlen 90 bis 99 Prozent der erforderlichen
„kritischen Masse“).
Neuere Beobachtungen führten zu weiteren Unsicherheiten. Man stellte fest, dass
Masse und Verteilung der sichtbaren Materie in unserer eigenen Galaxis nicht
ausreichen, um die Art und Weise zu erklären, wie unsere Galaxis rotiert – die
Beobachtungen lassen nämlich den Schluss zu, dass die Masse des äußeren
Kranzes viel größer sein muss als die für uns sicht- (und damit mess-)bare
Masse der Galaxis. Die Wissenschaft ist sich inzwischen ziemlich sicher: Es
gibt da weitere, für uns nicht erkennbare, nicht messbare „dunkle“ Materie“
(dunkel steht hier schlicht für „für uns verborgen“, für das Nicht-Wissen)?
Trotz solcher Unsicherheiten galt bis 1997 als herrschende
Lehrmeinung: Die Ausdehnung des Kosmos verlangsamt sich ständig durch die
Gravitationswirkung von sichtbarer und „dunkler“ Materie, und schließlich fällt
das Universum wieder in sich zusammen. Es gibt Mutmaßungen darüber, woraus die
„dunkle Materie“ bestehen könnte (kleine Protosterne, Schwarze Löcher,
Neutrinos, unbekannte Elementarteilchen: Axionen, Strings ...); Stofflichkeiten,
die wir (bisher) nicht beobachten können, die aber einen Teil der
„Beobachtungs-Lücken“ füllen könnten.
Dann jedoch zeigten Messungen, dass sich die Ausdehnung des
Universums sogar beschleunigt. Eine Kraft wirkt der Gravitation entgegen. Diese
unbekannte Kraft nennen die Kosmologen „dunkle Energie“. Derzeit gehen die
Astrophysiker davon aus, dass unser Universum zu 73 Prozent aus „dunkler
Energie“ und zu 22 Prozent aus „dunkler Materie“ besteht. Nur etwa fünf Prozent
(ein Zwanzigstel !) des Kosmos bestehen demnach aus Stofflichkeiten, wie wir
sie kennen: Sterne, Steine, Bäume, Menschen. Alles übrige – also fast alles,
was uns umgibt – besteht aus nicht (direkt) sichtbarer (nachweisbarer) Materie
und Energie. Dunkle Materie sieht man nicht, sie leuchtet nicht, sie schluckt
kein Licht, sie hinterlässt keine Spuren in den Messgeräten der Physiker.
Derzeit bevorzugen die meisten Astrophysiker für die Zukunft
der Entwicklung des Kosmos eine zweite Hypothese: Das Universum wird danach
ewig weiter auseinander fliegen. Eine Art „Anti-Gravitation“ (die „dunkle
Energie“) treibt das Weltall auseinander. Wenn diese These zutrifft, dann würde
das All immer größer werden, immer leerer, immer kälter, immer dunkler.
6. Unser Heimatstern SONNE mit seinen Planetenkindern
Wir Menschen erleben den Kosmos von unserem blauen Heimatplaneten
aus. Rings um uns finden wir Leere, unermessliche Weiten, tödliche Kälte,
explodierende Sterne, Strahlung ...
Und dennoch leben wir auf einem Planeten, der Leben trägt.
Woher
kommt eigentlich unser blauer Planet mit seinem Heimatstern?
Beide sind gemeinsam geboren aus einem Inferno.
Reste eines explodierenden Sternes der ersten Generation breiteten sich in der
Umgebung aus, eine Wolke aus Gas(98%) und Staub(2%). Die Materie war nicht
gleichmäßig verteilt, und so begannen sich dichtere Regionen der Wolke unter
dem Einfluss der Schwerkraft zusammenzuziehen. Das Zentrum zog immer mehr Materie
aus der Umgebung an sich, die Teilchen rückten immer dichter zusammen, im
Inneren wurde es immer heißer, bis schließlich erneut ein Sternenfeuer
zündete.
In der Umgebung der so entstandenen Sonne klumpte gleichzeitig Materie in einer
großen Scheibe zusammen, dort bildeten sich zunächst Gesteinsklumpen, die
ständig weitere Materie aufsammelten und bis zur Größe von Planeten wuchsen.
Einer davon war die spätere ERDE.
Schon in der Frühphase der Erde trat ein besonders dramatisches Ereignis ein:
Ein Riesenbrocken schlug in den glühenden Protoplaneten ein. Er war etwa so
groß wie der Mars. Die beiden Körper verschmolzen, glutflüssige Materie wurde
herausgeschleudert in eine Umlaufbahn um die Erde – aus ihr bildete sich der
MOND, den die Erde mit ihrer Schwerkraftwirkung festhielt.
„Unsere“ Sonne, unser
Heimatstern, ist auf der einen Seite ein ganz normaler Durchschnittsstern,
nicht zu groß (das Fusions-Feuer wäre in der Umgebung unerträglich; und die
Lebensdauer wäre kurz), aber auch nicht zu klein (dann wäre die Leuchtkraft zu
schwach und die Anziehungskraft, um z.B. den Mond oder die Atmosphäre
festzuhalten, zu gering). Die Sonne hat genügend Brennstoffvorrat für 10
Milliarden Jahre; damit stand ausreichend Zeit zur Verfügung, dass auf einem
Planeten in der Nachbarschaft Leben entstehen und sich entfalten konnte (bis zu
hochentwickelten Lebewesen).
Unsere Sonne ist umgeben von mehreren Planeten. Einer davon – unsere Erde - hat
die „richtige“ Größe (um seine Gashülle festzuhalten), befindet sich in der
„richtigen“ Entfernung, und sie ist damit der einzige Planet im Sonnensystem,
auf dem Wasser (Grundlage des Lebens, wie wir es kennen und uns vorstellen
können) flüssig vorkommt.
Weitere Kandidaten für lebensfreundliche Planeten wären grundsätzlich unsere
„Nachbarn“ gewesen: Der Mars jedoch ist zu klein – er konnte seine Gashülle
nicht festhalten, hat keine nennenswerte Atmosphäre. Die Venus besitzt zu viel
Kohlendioxid in der Atmosphäre, was ihr einen unseligen Treibhauseffekt mit
Temperaturen von 500 Grad beschert hat. Und beide haben keinen großen Mond,
der ihre Drehachse stabil halten könnte.
Von der Sonne empfängt die Erde
verschiedene Arten von lebensdienlicher Strahlung - Licht und Wärme – und diese
hält die großen Kreisläufe auf der Erde in Gang (Wasser, Sauerstoff, Atmosphäre,
Nahrungsketten).
Aber die Sonne erweist sich nicht nur lebensspendend durch die Einstrahlung
von Energie auf die Erde. Sie ist es nicht weniger auch deshalb, weil sie uns
vor der sonst tödlichen Strahlung schützt, die aus der Tiefe des Weltalls bis
zu uns reicht. Von der Sonne geht nämlich nicht nur elektromagnetische
Strahlung aus, sondern auch eine materielle Strahlung, die aus Teilchen
besteht, z.B. schnellen Atomkernen und Elektronen, die mit tausendfacher
Schallgeschwindigkeit losgeschickt werden (500 km/s). Dadurch entsteht der so
genannte „Sonnenwind“ (sichtbar z.B. im „Schweif“ von Kometen, die immer von
der Sonne weg gerichtet sind, weil der Sonnenwind Kometenmaterie „wegbläst“).
Der Sonnenwind breitet sich nach allen Seiten kugelförmig aus. Etwa in der Höhe
der Bahn des Pluto, 6 Mrd. km von uns entfernt, prallen die von der Sonne
abgestrahlten Teilchen auf die „interstellare Materie“, auch kosmische
Höhenstrahlung genannt – energiereiche Teilchen, die aus den Weiten des Kosmos
kommen und eine massive Bedrohung für das Leben auf der Erde wären. Hier, weit
draußen am Rande des Sonnensystems, prallen sie nun auf die Teilchen des
Sonnenwinds, werden abgebremst und weitgehend neutralisiert. So entsteht ein
Schutzschirm um das Sonnensystem. Diese Kugel mit ihren 12 Milliarden Kilometern
Durchmesser ist das große Raumschiff, in dem wir durch den Kosmos fliegen;
kleiner geht es offenbar nicht ...
Aber stellt der energiereiche Teilchenstrom von der Sonne (Sonnenwind) nicht
auch eine Gefahr für das Leben auf der Erde dar? Ja, aber im Inneren des
Sonnesystems gibt es eine zweite Hülle, die den Planeten Erde schützt (und nur
200.000 km Durchmesser hat). Der Sonnenwind ist ionisiert (solares Plasma) und
damit magnetisch beeinflussbar. Und er wird durch das Magnetfeld der Erde
abgelenkt, die Teilchen fliegen zum größten Teil in sicherem Abstand um die
Erde herum. Die Erde verdankt ihr Magnetfeld dem Mond (davon später).
Noch eine weitere Doppelwirkung hat die Sonnenstrahlung. Eigentlich sind bestimmte
Anteile der ultravioletten Strahlung, die von der Sonne auf die Erde
eingestrahlt werden, gefährlich für Lebewesen. Dass davon nur ein geringer Teil
die Erdoberfläche erreicht (und bei Menschen für Sonnenbrand und Hautkrebs
sorgt), liegt daran, dass gerade diese harte UV-Strahlung bewirkt, dass in den
höheren Schichten der Atmosphäre (20 bis 50 km über unseren Köpfen) jeweils
drei Sauerstoffatome sich zu Ozon-Molekülen verbinden. Und diese „Ozonschicht“
fängt ankommende UV-Strahlung ein (Absorption) und hält sie so von der
Erdoberfläche fern.
(Zur langfristigen Entwicklung der Sonne siehe Kap. 5.2.1.)
7. Der Mond und das Leben
auf der Erde
Der
(Erd-)Mond verdankt seine Entstehung einer kosmischen Kollision: Schon in der
Frühphase der Entstehung der Erde schlug ein marsgroßer Körper in die Ur-Erde
ein, die ins All geschleuderte glutflüssige Masse wurde von der Erde
festgehalten und aus ihr bildete sich der Mond. Der einschlagende Himmelskörper
wird heute „Theia“ genannt (das ist in der Mythologie die Mutter der Mondgöttin
Selene).
Nach seiner Entstehung war der Mond der Erde 15 Mal näher als heute. Unter der
Wirkung gewaltiger Gravitationskräfte hob und senkte sich damals die
Erdkruste bei jedem Umlauf um 7 Meter, schwere lokale Beben wurden ausgelöst
und das Wasser der Ozeane bildete gewaltige Flutberge.
Auch heute noch dreht sich die Erde ständig unter dem Wasserberg durch, den die
Gravitationswirkung des Mondes hervorruft, und sie wird dabei allmählich
abgebremst. Gleichzeitig wird der Mond dabei beschleunigt, und er entfernt sich
ständig weiter von der Erde (derzeit um vier Zentimeter pro Jahr). Auch die
Eigen-Umdrehung des Mondes wird durch die Gravitation abgebremst. Er wendet der
Erde heute schon immer die gleiche Seite zu. Auch die Erde dreht sich immer
langsamer, die Tage werden immer länger, und in ferner Zukunft wird auch sie
ihrem Mond immer die gleiche Seite zuwenden.
EBBE und FLUT
Wasserberg infolge
derAnziehung durch den Mond Drehachse der Erde
MOND
Der Mond hält heute die Drehachse der Erde in stabiler Lage.
Dadurch wird einmal wird die Nordhalbkugel und einmal die Südhalbkugel stärker
von der Sonne beschienen. So entstehen Sommer und Winter. Ohne Mond würde die
Erde im Raum torkeln, es gäbe keine Jahreszeiten. Das Klima würde sich ständig
und abrupt ändern (Vereisungen, Dürre, Überflutungen). Ohne stabile Achse wäre
kaum Leben auf der Erde möglich (der Mars hat keinen großen Mond, seine Achse
schwankt folglich stark).
Der Mond sorgt auch für das Magnetfeld der Erde (Schutz vor der
Teilchenstrahlung der Sonne). Im Inneren der Erde befindet sich ein fester
Metallkern, der von einer Zone flüssiger Metalle umgeben ist. Bei der
Drehbewegung der Erde wirkt die Gravitation des Mondes auf diese flüssige Zone,
die sich bewegt. Wo elektrisch geladenes Metall sich bewegt, kommt es zu einem
„Dynamo-Effekt“, elektrische Ströme und
Magnetfelder treten auf, und letztere lenken die geladenen Teilchen des
Sonnenwindes um die Erde herum.
Kurz: auch ohne „ihren“ Mond wäre die Erde unbewohnbar.
8. Asteroiden, Kometen
und Meteoriten
Schon in der Entstehungszeit des Sonnesystems gab es
gewaltige Kollisionen:
Der Erd-Mond entstand im Ergebnis des Zusammenstoßes der Ur-Erde stößt mit
einem mars-großem Himmels-Körper.
Der Merkur hat heute eine viel zu große Dichte, als eigentlich zu erwarten wäre
– wahrscheinlich wurden bei ihm die äußeren leichteren Gesteinsschichten durch
kosmische Einschläge weggesprengt.
Venus und Uranus drehen sich „falsch“ herum, d.h. anders als die übrigen
Planeten im Sonnensystem – vielleicht sind sie durch gigantische Kollisionen
„umgedreht“ worden.
Auch heute noch sind in unserer kosmischen Umgebung
unzählige Gesteinsbrocken unterwegs, allerdings sind sie relativ klein,
leuchten nicht, und sind so nur schwer und spät zu entdecken. Aber bewegen sich
schnell (können in 3 Stunden die Entfernung vom Mond bis zur Erde überwinden)
und sie können hin und wieder auch die Bahn der Erde kreuzen.
Im März 2004 kam es zur nächsten bisher beobachteten Begegnung eines Asteroiden
mit der ERDE: in 40.000 km Abstand flog ein Asteroid von 30 Metern Durchmesser
an der Erde vorbei, also weit innerhalb der Bahn Erde – Mond (380.000 km). Die
NASA schätzte, dass es zu einer solchen Beinahe-Begegnung wahrscheinlich aller
2 Jahre kommt, wir die meisten davon aber nicht wahrnehmen.
Am 23.3.1989 kreuzte ein weit größerer Asteroid die Erdbahn. Er flog 74000 km/h
schnell und war bei seiner größten Annäherung nur 650.000 km entfernt, hatte
500 m Durchmesser und wog 45 Millionen Tonnen.
Bisher wurden mehr als 120 große Einschlagkrater auf der Erde gefunden.
Schätzungen besagen, dass sich etwa alle 2000 bis 10000 Jahre ein Asteroid von
100 Metern Durchmesser mit der Erde zusammenprallt, alle 1 bis 2 Millionen
Jahre einer mit 1 km Durchmesser und einer mit 10 km Durchmesser ein Mal in 100
Millionen Jahren ...
In Deutschland ist z.B. im Nördlinger Ries heute noch ein Krater erkennbar, wo
vor 14 Millionen Jahren ein Meteorit mit einem Kilometer Durchmesser
eingeschlagen hat.
Vor 65 Millionen Jahren hat der bisher letzte „große Treffer“ die Ära der
Saurier beendet. Ein 10 km großer Meteorit prallte mit einer Geschwindigkeit
von 70.000 km/h bei der Halbinsel Yukatan (im heutigen Mexiko) auf die Erde.
Er drang bis zu 20 km in die Erdrinde ein, dichter Staub verdunkelte die Erde,
es kam weltweit zu Bränden, extrem saurer Regen fiel, und ein globaler Winter
wurde ausgelöst. Interessant ist dazu aber vielleicht auch folgende Berechnung:
Bei diesem Crash wurden etwa 500 Millionen Steine unterschiedlicher Größe aus
der Erdrinde ins All geschleudert. 30 davon dürften (statistisch-rechnerisch)
den Jupitermond Titan getroffen haben, sodass sich dort irdische Materie (und
– sehr spekulativ - vielleicht auch irdische Lebenskeime) befinden könnten) ...
Seit etwa 600 Millionen Jahren leben mehrzellige Pflanzen
und Tiere auf der Erde. Es gab in diesem Zeitraum mindestens fünf große
Einschnitte in der Geschichte des Lebens auf der Erde („BIG FIVE“ – die fünf
großen Katastrophen). Jedes Mal wurden etwa zwei Drittel aller Arten
ausgelöscht. Aber danach entfaltete sich jedes Mal neues Leben. Wenn sich die
Erde erholt hatte, schlug die Entwicklung jedes Mal eine ganz neue Richtung
ein, neue Lebewesen erhielten eine Chance.
Über die Ursachen dieser Katastrophen wird viel spekuliert. Waren es
Klimaveränderungen? Oder Vulkanausbrüche? Oder Sternenexplosionen in der Nähe
der Erde?
Vor allem für das 4. und 5. solche Ereignis werden aber vorrangig
Meteoriten-Einschläge diskutiert, die vor 200 und vor 65 Millionen Jahren
stattgefunden haben.
Bestehen aktuelle Gefahren durch kosmische Kollisionen?
Ein Gürtel aus Felsbrocken befindet sich zwischen Mars und Jupiter
(Asteroidengürtel). Man schätzt, dass dort 10.000 Brocken zwischen 1 km und 950
km Durchmesser unterwegs sind.
Weiter entfernt, am Rande unseres Sonnensystems, jenseits des Neptuns
beginnend, befindet sich der Kuipergürtel, und noch weiter draußen (jenseits
des Pluto) die so genannte Oortsche Wolke.
Im Kuipergürtel wurden erst in den letzten Jahren Himmelskörper entdeckt, die
größer sind als der „Planet“ Pluto.
Wenn zum Beispiel ein Nachbarstern der Sonne im Abstand von
weniger als 1 Lichtjahr an der Sonne vorbeitreibt (das geschieht in
Jahrhundertmillionen durchaus ab und zu), dann würde er die Oortsche Wolke
durcheinanderwirbeln und Asteroiden könnten auf Kollisionskurs zur Erdbahn
gebracht werden.
Aber trotz der ständigen Bedrohung gibt es auch Gutes zu vermelden: Die Erde
hat einen mächtigen Beschützer, den Jupiter. Er sammelt durch seine Gravitationswirkung
wie ein großer Staubsauger die Brocken ein, die ins Innere des Sonnesystems
unterwegs sind (zuletzt war das spektakulär zu sehen, als die Bruchstücke des
Kometen Shoemaker-Levy in seine Atmosphäre einschlugen).
Kollisionen mit großen Asteroiden bedeuteten immer einen
dramatischen Einschnitt, eine Katastrophe in der Erdgeschichte. Aber immer
lässt sich nach großen Einschlägen in der Vergangenheit nachweisen, dass neues
Leben sich entfalten konnte, neue Entwicklungswege sich eröffneten.
9. „Und darüber kann man
sich nicht genug wundern“
Wir sind am Ende einer weiten Reise angekommen
Wir haben dem Anfang von allem nachgespürt, in dem aus der Ordnung der
Naturgesetze heraus ein Universum geboren wurde. Es war zunächst eine sehr
einfache Welt (bei diesem Aufwand!). Aber damit begann eine Geschichte, die
immer wieder Überraschungen bereit hielt, bei der immer wieder Neues begann.
Es war ein langer Weg, der notwendig war vom Urknall bis zur Existenz des
Menschen, eine Gratwanderung, auf der es immer wieder auch Katastrophen gab.
Aber in jeder Krise stecken nicht nur Gefahren, sondern auch Chancen.
In dem Bemühen, mit Hilfe der Naturwissenschaft etwas davon
zu verstehen, wie die Welt aufgebaut ist und wie sie funktioniert, kommen
Menschen ins Nachdenken.
Und dabei stellen sich die gleichen tiefen Fragen, die früher auch die
Astrologie beantworten wollte:
WOHER ? (Ursprung)
WOHIN ? (Ziel)
WARUM, WOZU (Sinn) ?
Welche Deutung der Welt liegt MIR jetzt nahe?
Überwiegen für mich die Gefühle von Ohnmacht, Leere, Verlorenheit (sind wir
doch Zigeuner am Rande des Universums)?
Oder empfinde ich stärker Geborgenheit und Dankbarkeit
(für ein Universum, das unsere Existenz ermöglich hat)?
Oder begegne ich den Einsichten der Naturwissenschaft eher
neutral-interessiert: mit Staunen, mit Neugier, mit der nüchternen Frage: Was
steckt dahinter? - die Frage, die Menschen immer wieder vorangetrieben hat ...
Nobelpreisträger Manfred Eigen
berichtet davon, dass sein Lehrer, der Göttinger Physiker Pohl, in seinen Vorlesungen
– nachdem er einen naturwissenschaftlichen Sachverhalt erklärt hatte -
zu sagen pflegte: „Und darüber kann man sich gar nicht genug wundern.“ ...
Und ähnlich geht es heute vielen Physikern, die sich mit der Entstehung und der
Geschichte des Kosmos beschäftigen. Sie denken über das so genannte
„anthropische Prinzip“ nach, staunen über so viele „glückliche Zufälle“ und fragen
sich: Ist das Universum vielleicht maßgeschneidert für den Menschen? Alles
läuft scheinbar zielstrebig auf die Existenz des Menschen zu. Es hätte an so
vielen Stellen in der Entwicklung des Kosmos auch völlig anders weitergehen
können, oder Stillstand wäre möglich gewesen
- der Lauf, den die Welt genommen hat, ist physikalisch nicht zwingend
vorgegeben.
WARUM das Universum so erstaunlich lebensfreundlich ist und unsere Erde und
ihre Bewohner hervorgebracht hat - auf solche Fragen, die Menschen zu allen
Zeiten bewegt haben, hat die Naturwissenschaft keine Antwort. Dafür ist Physik
nicht zuständig.
Schullehrbuch zum Themenbereich
„Kosmologie – Urknall“
„Was oder wer hat die Ausgangsbedingungen gesetzt? ... physikalische Letztbegründungen
sind nicht möglich ...
Man kann das Auftauchen der
Energie als „Schöpfungsakt“ aus dem „Nichts“ im Sinne der christlichen Religion
deuten ...
das Urknall-Modell schließt einen „Schöpfer“ nicht aus ...
Hat unser Leben in diesem Universum einen
Sinn? Eine Antwort kann nicht aus den physikalischen Erkenntnissen abgeleitet
werden ...
Fragen nach den Zielen und Maßstäben unseres Handelns ... solche „praktischen
Fragen der Philosophie“ sind nicht mit Hilfe der ... Methode der
Naturwissenschaft zu beantworten ...“
(W. Kuhn: Physik, Klasse
12/13 Band 2, Westermann, S.517ff)
Hier
ist Raum für philosophische, für religiöse Antworten. Wenn ich bekenne, dass
für mich Gott diese Welt gewollt und ins Dasein gerufen hat, ist das eine
zulässige persönliche Deutung, die durch naturwissenschaftliche Fakten nicht in
Frage gestellt wird.
„Das Weltall ist uns so unwahrscheinlich günstig
gesinnt,
dass es geplant zu sein scheint.“
(Andreas
Tammann, Prof. für Astronomie, Universität Basel)
„Die Schöpfungsgeschichte sagt uns nicht, wie der
Himmel funktioniert, sondern wie man dorthin kommt.“
George Coyne, Astrophysiker, Leiter der päpstlichen Sternwarte
7.
Anhang
Entfernungsmessungen
im Kosmos
|
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|
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Methode
|
astronomische Objekte |
Entfernungsbereich |
|
Parallaxe (irdische Basislinie) |
Planeten |
1
Lichtstunde |
|
Parallaxe (Erdbahn als Basislinie) |
nahe Sterne |
50
Lichtjahre |
|
statistische Parallaxe (Sonnenbahn als Bezugslinie) |
Sterngruppen |
1000
Lichtjahre |
|
Perioden-Leuchtkraft-Beziehung |
Cepheiden |
65
Millionen Lichtjahre |
|
Supernovae Typ Ia |
Supernova-Explosion |
einige
Milliarden Lichtjahre |
|
hellste Haufengalaxie |
Galaxien-Haufen |
10
Milliarden Lichtjahre |
|
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|
1. trigonometrische Methoden (Parallaxe): Anpeilen eines entfernten Objekts unter verschiedenen
Blickwinkeln; als Basis werden genutzt: a) eine Linie zwischen zwei Standorten auf der Erde b) unterschiedliche Positionen der Erde bei ihrem Umlauf
um die Sonne c) unterschiedliche Positionen der Sonne auf ihrer Bahn |
||
|
2. entferntere Objekte erscheinen (bei bekannter
Leuchtkraft) dunkler: a) bestimmte Sterne („veränderliche Cepheiden“) ändern
ihre Leuchtkraft streng periodisch b) Supernova Typ Ia: in einem Doppelsternsystem saugt ein
„weißer Zwerg“ (mit etwa 1 Sonnenmasse) Materie von seinem Partnerstern ab,
bis er beim Erreichen einer kritischen Masse (1,4 Sonnenmassen) mit einem
charakteristischen Lichtblitz explodiert c) in einem durchschnittlichen Haufen von Galaxien wird
die mit der größten Leuchtkraft gesucht |
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Materiedichte im Kosmos |
|
|
Art
der Materie |
Dichte |
|
Weltall (durchschnittlich) |
10-30 |
|
Vakuum |
10-18 |
|
Wasser |
1 |
|
Ziegelstein |
1,6 |
|
Kern der Sonne |
158 |
|
Weißer Zwerg |
105 (so zu
lesen: |
|
Neutronenstern |
1015 |
|
Schwarzes Loch |
1027 |
Kosmische Kennziffern
(Bild der Wissenschaft 8/2003 S.51)
|
Eigenschaften |
Wert |
Unsicherheit |
|
Alter des Universums (Milliarden Jahre) |
13,7 |
+ 0,2 |
|
Anteil der „normalen“ Materie (Prozent) |
4,4 |
+ 0,4 |
|
Anteil der „kalten, dunklen“ Materie (Prozent) |
23 |
+ 4 |
|
Anteil der gesamten Materie (Baryonen und dunkle Materie)
an der Gesamtdichte (Prozent) |
27 |
+ 4 |
|
Anteil der „dunklen Energie“ an der Gesamtdichte (Prozent) |
73 |
+ 4 |
|
Temperatur der komischen Hintergrundstrahlung (Kelvin) |
2,725 |
+ 0,002 |
Abschätzung der Zahl N
kommunikationsbereiter Zivilisationen in der Milchstraße:
N = R x fp x ne x fl x fi x fc x L
R = Sternentstehungsrate (neue Sterne pro Jahr in der
Galaxis)
fp = Anteil der Sterne mit Planetensystem in Prozent
ne = Zahl der Planeten in einem Planetensystem mit lebensgeeigneten Bedingungen
fl = Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich dort Leben auch wirklich
entwickelt hat
fi = Wahrscheinlichkeit , dass Leben Intelligenz entwickelt hat
fc = Wahrscheinlichkeit, dass diese intelligenten Wesen auch
Fähigkeit zur interstellaren Kommunikation haben
L = Zeit in Jahren, während der eine solche Kultur um Kontakt bemüht ist
|
|
R |
fp |
ne |
fi |
fi |
fc |
L |
N |
|
optimistisch |
10 |
1,0 |
1 |
1 |
1 |
0,2 |
108 |
2 x 108 |
|
zurückhaltend |
10 |
0,5 |
1 |
1 |
1 |
0,2 |
106 |
106 |
|
pessimistisch |
1 |
0,4 |
1 |
1 |
1 |
0,1 |
102 |
4 |
zur Einordnung:
bei N = 108 (= 100 Millionen) beträgt die
durchschnittliche Entfernung in Lichtjahren zwischen zwei intelligenten
Galaxien 50 Lichtjahre,
bei N = 102 (= 100) beträgt die durchschnittliche
Entfernung in Lichtjahren zwischen zwei intelligenten Galaxien
5300 Lichtjahre
(Lesch/Müller: Big Bang zweiter Akt – Auf den Spuren des Lebens im All,
Bertelsmann München 2003, S.339)
Sind “Zeitreisen” möglich?
Angenommen, es sollte auf irgendeine Weise ein Mensch in
das Jahr 1800 versetzt werden. Dieser Mensch besteht aus Atomen. Diese Atome
gab es im Jahr 1800 schon. Sie waren damals Bestandteile anderer Strukturen –
Wasser, Luft, Mineralien, Pflanzen, Tiere. Wenn unser Versuchsmensch nun in
diesem Jahr auftaucht, dann müsste jedes seiner Atome doppelt existieren, und
das an verschiedenen Orten. Wohlgemerkt: Hier geht es nicht um gleichartige,
sondern um identische Atome! Einer der einfachsten physikalischen Grundsätze
sagt aber: Ein Körper kann nicht gleichzeitig an verschiedenen Orten sein.
(Wilfried Bresch, Leserbrief in Bild der Wissenschaft 6/2006 S.16)
Anthropisches Prinzip:
Wichen in unserem Universum die Werte für die Naturkräfte
(Naturkonstanten) nur leicht von den tatsächlich beobachteten Größen ab, so
wäre Leben und damit der Mensch nicht möglich. Diese Erkenntnis ist als
schwaches anthropisches Prinzip bekannt geworden und in dieser Form kaum
bestritten.
Andere, stärkere Formen des anthropischen Prinzips gehen viel weiter, bis hin
zur Behauptung, die physikalischen Grundkonstanten des Universums seien von
einem höheren Willen so aufgestellt worden, dass menschliches Leben entstehen
musste. ;
(Hansjürg Geiger: Auf der Suche nach Leben im Weltall, Wie Leben entsteht und
wo man es finden kann, Franckh-Kosmos Verlag Stuttgart 2005, S.12)
Wichtige offene Fragen der Kosmologie
Warum gibt es überhaupt etwas und nicht nichts?
Woher kommen die Naturgesetze?
Was war vor dem Urknall?
Was geschah in der ersten Millisekunde nach dem
Urknall?
Gibt es mehr als drei Raumdimensionen?
Was ist Zeit?
Woraus besteht „dunkle Materie“?
Was ist „dunkle Energie“?
Gibt es andernorts im Universum intelligentes Leben?
Wird das Universum ewig existieren?
Gibt es Parallel-Universen?
(Wir sind
Sternenstaub)
Atome ferner Sterne kommen zu uns. Sie sind Träger des
Lebens.
Der Kohlenstoff deines Körpers war in der leuchtenden Atmosphäre eines Sterns.
Und er bestand nicht von Anfang an, der Kohlenstoff deines Körpers
formte sich in Sternen, die starben und auseinanderstoben
und ihn wie Pollen in den Zwischenraum streuten, und so kam er zur Erde.
Das Leben stammt aus dem Sterben der Sterne.
Das Eisen deines Blutes, vor Millionen von Jahren war es in einem riesigen
Stern.
Oder das Gold der Goldschmiede: aus der Explosion von Supernovas.
Seen, Leguane, Teleskope, alles aus dem Sternenfeuer.
Wenn die Sterne auseinanderstieben,
streuen sie wie Sporen die Elemente des Lebens. Tod und Geburt.
Oder: Wiedergeburt aus dem Tod.
Sie sind wie Atomenergie - wie sehen sie dort oben -,
Energie, die die Rosen auf der Erde öffnet.
Welche Verwandtschaft gibt es zwischen den Sternen, den Blumen und deinem
Gesicht,
freundliches Mädchen, weißt du es denn?
Noch das Gas zwischen den Sternen hat die gleiche Zusammensetzung
wie eine Bakterie und ein Mädchen.
(aus dem "Cántico cósmico" von Ernesto Cardenal)
“We are stardust, billion years of carbon“
(Wir sind Sternenstaub,
Kohlenstoff, der Milliarden Jahre alt ist ...)
sangen Crosby, Stills, Nash & Young in Woodstock.
ASTROLOGIE
Astrologie ist, in allgemeinster Form ausgedrückt, die Deutung räumlicher
Verhältnisse und zeitlicher Abläufe in unserem Sonnensystem. Sie beruht auf
der Grundannahme, dass die sich aus solchen Verhältnissen ergebenden Rhythmen
im Zusammenhang stehen mit physikalischen, biologischen und psychischen
Abläufen in Organismen auf der Erde.
Sonne,
Mond und Sterne ... in der BIBEL:
1.
1. Buch Mose 1,14ff: „... Lichter am Himmelsgewölbe,
um Tag und Nacht zu scheiden. Sie sollen Zeichen sein und zur Bestimmung von
Festzeiten, von Tagen und Jahren dienen ... über die Erde hin leuchten.“
2.
5. Buch Mose 17,3ff: „... wer anderen Göttern dient
und sich vor ihnen niederwirft – und zwar vor der Sonne, dem Mond oder dem
ganzen Himmelsheer (den Sternen JK), was ich verboten habe - ... dann sollst du
diesen Mann oder diese Frau ... steinigen.“
3.
Matth. 2,1ff: „... kamen Sterndeuter aus dem Osten
nach Jerusalem und fragten: Wo ist der neugeborene König der Juden? Wir haben
seinen Stern aufgehen sehen und sind gekommen, um ihm zu huldigen. ... und der
Stern zog vor ihnen her bis zu dem Ort wo das Kind war (Jesus in Bethlehem JK)
...“
Quellen
und weiterführende Literatur:
Lesch, H.; Müller, J.: Kosmologie
für Fußgänger, Goldmann München 2001
Lesch, H.; Müller, J.: BIG BANG
zweiter Akt, C. Bertelsmann München 2003
GEOWissen Nr.33:
Urknall-Sterne-Leben Die Geheimnisse des Universums, Hamburg 2004
GEOkompakt Nr.6: Das Universum,
Hamburg 2006
Arnold Benz: Die Zukunft des
Universums – Zufall, Chaos, Gott, Patmos
Düsseldorf 1997
Hoimar von Ditfurth: Kinder des
Weltalls – Der Roman unserer Existenz, dtv München1982 ff.
Joachim Bublath: Geheimnisse
unseres Universums, Droemer München 1999
Joachim Bublath: Chaos im
Universum, Droemer München 2001