Astronomie & Physik

29.08.15 Die Suche nach der zweiten Erde

Im Sommer gingen Bilder von einer zweiten Erde („Kepler-452b“) durch die Presse, die den Eindruck einer recht detaillierten Fotographie erwecken. Tatsächlich wissen wir nur durch Helligkeitsschwankungen des Zentralgestirns etwas über diesen Planeten. Die Darstellungen in der Presse sind für Laien, also für die große Anzahl der Leser, irreführend.

Gastbeitrag von Albrecht Ehrmann

Am 23. Juli 2015 veröffentlichte die NASA die Entdeckung des Planeten Kepler-452b¹ mit dem Titel „NASA’s Kepler Mission Discovers Bigger, Older Cousin to Earth“.² In der Presse fand man dazu eine schöne Illustration, die von T. Pyle stammt (http://images.techtimes.com/data/images/full/115098/kepler-452b-and-earth.jpg?w=600). Auf ihr sieht man auf der linken Seite die Erde, auf der rechten Seite augenscheinlich den Planeten Kepler-452b. In der Mitte ist ein Trennungsstrich und je die Hälfte der Sonne und des Sterns Kepler-452. Der Planet Kepler-452b ist 60% größer als die Erde. Man ist beeindruckt von der Detailtreue des Bildes von Kepler-452b, sieht dunkle Strukturen, die an Seen und Flussläufe erinnern, weiße Wolken und feste Oberflächenstrukturen in Brauntönen. Leider wird in den Begleittexten dazu nicht klar, was an diesem Bild Phantasie ist und was tatsächlich auf Messdaten beruht, da lediglich das Gesamtbild als Illustration bezeichnet wird. Im Text erfährt man immerhin, dass die Forscher nur vermuten, dass Kepler-452b „felsisch“ ist, also eine feste Oberfläche und eine Atmosphäre mit einer geringen Dicke hat.

Abb. 1: Künstlerische Rekonstruktion von Kepler-452b im Größenvergleich mit der Erde. (Wikimedia: Ardenau4, CC BY-SA 4.0)

Worin bestehen nun tatsächlich die Messdaten bzw. was lässt sich aus ihnen ableiten? Das Studium des Fachartikels³ gibt darüber Aufschluss. Der Planet wurde bei der Analyse der Daten des Kepler-Weltraumteleskops mit der so genannten Transitmethode (s. u.) entdeckt.

Das Kepler-Weltraumteleskop hat von 2009 bis 2013 111.800 Sterne gleichzeitig ins Visier genommen und kontinuierlich deren Helligkeit registriert. Bei der Analyse der Daten, die immer noch andauert, wird gezielt auf relativ kurze, periodisch auftretende Verdunkelungsereignisse geachtet. Zieht nämlich ein Planet längs der Sichtlinie zwischen dem Satelliten und dem Stern vorbei (= Transit), verdunkelt er diesen ganz geringfügig für eine gewisse Zeit. Dies ist analog zu den Venustransits in unserem eigenen Planetensystem vor einigen Jahren, als das kleine, dunkle Venusscheibchen von der Erde aus gesehen über die Sonnenscheibe wanderte. Wiederholt sich eine solche Verdunkelung in periodischen Abständen, ist es wahrscheinlich, dass ein Planet, der um diesen Stern kreist, die Ursache ist.

Bei Kepler-452b konnte man vier solcher Verdunkelungen um 0,02 % beobachten. Bevor man aber die Entdeckung ines neuen Planeten publizieren kann, müssen noch einige Tests gemacht werden, um eine Verwechslung mit anderen Phänomenen auszuschließen. So reicht beispielsweise die optische Auflösung des Kepler-Teleskops nicht aus, um zu prüfen, ob das Licht nur vom Stern Kepler-452 stammt oder ob es mit dem Licht anderer Sterne vermischt ist. Deshalb wurden mit dem 10 m-Spiegel des Keck II-Teleskops auf Hawaii hochaufgelöste Bilder aufgenommen und dabei keine Nachbarsterne gefunden. Außerdem wurden noch weitere Tests bei Kepler-452 durchgeführt und damit alternative Erklärungen für die periodischen Intensitätseinbrüche ausgeschlossen. Als Ergebnis erhielt man den Planeten Kepler-452b mit einer Umlaufdauer von 385 Tagen und einem Durchmesser, der 1,4% des Sternendurchmessers beträgt. Über hochaufgelöste Spektren des Sterns Kepler-452 erhält man durch den Vergleich mit Spektren von Sternen, deren Durchmesser man kennt, dessen Durchmesser von 1,1 Sonnendurchmessern. Damit ergibt sich, dass der Planet Kepler-452b 1,6 mal so groß ist wie die Erde.

Außer diesen wenigen, aus den Helligkeitsschwankungen des Zentralgestirns abgeleiteten Größen weiß man von diesem mutmaßlich erdähnlichen Planeten definitiv nichts.

Von anderen Planeten ähnlicher Größe konnte man die Masse und damit die Dichte bestimmen bzw. herleiten. Aus diesen Angaben folgern die Forscher, dass die Wahrscheinlichkeit, dass der Planet Kepler-452b ein Gesteinsplanet ähnlich der Erde ist, bei 49% bis 62% liegt. Allerdings muss man dazu sagen, dass diese Daten nicht aus einer Gruppe von Planeten mit ähnlicher Konfiguration wie Kepler-452b gewonnen wurden, sondern von Planeten, die um kleinere Sterne in kleinerem Abstand zum Stern kreisen.

Wann wissen wir mehr von Kepler-452b? In absehbarer Zeit wird kein Wissenszuwachs erwartet. Es wird eher erwartet, dass man erdgroße Planeten bei sonnenähnlichen Sternen in deren habitabler Zone⁴ findet, die nicht so weit entfernt sind wie Kepler-452. Von diesen nahen Sternen nimmt man Spektren des Sternenlichts abseits und während der Transits der Planeten auf. Aus der Differenz dieser Spektren erhält man spektrale Information von der Atmosphäre der Planeten, durch die das Sternenlicht während der Transits auf dem Weg zu uns hindurchstrahlt. Chemische Verbindungen wie beispielsweise Methan absorbieren in charakteristischen Linien, man kann also damit herausfinden, welche Gase in der Planetenatmosphäre vorhanden sind.⁵

Um jedoch ein Bild von Kepler-452b zu erzeugen, das so detailliert wie die Illustration ist, bräuchte man ein optisches Teleskop mit Objektivdurchmesser, der etwa sieben Mal so groß ist wie die gesamte Erde. Davon sind wir im wahrsten Sinne des Wortes meilenweit entfernt. Selbst ambitionierte Projektstudien zu Weltraum-Interferometern mit nicht so weitreichenden Zielen wurden eingestellt und erst mal auf unbestimmte Zeit verschoben. Eine detaillierte Darstellung mit „Bild: NASA“ ist daher grob irreführend.

Anmerkungen und Quellen

¹ Sterne werden mit Zahlen bezeichnet (also z. B. Kepler-452); entdeckt man bei ihnen Planeten, werden diese mit Kleinbuchstaben markiert, angefangen mit b.

² http://www.nasa.gov/press-release/nasa-kepler-mission-discovers-bigger-older-cousin-to-earth; Übersetzung: „NASA‘s Kepler Mission entdeckt größeren, älteren Cousin der Erde“

³ Jenkins JM et al. (2015) The Astronomical Journal 150 56. doi:10.1088/0004-6256/150/2/56. Preprint arxiv: 1507.06723

⁴ Ein Planet ist in der habitablen Zone seines Planetensystems, wenn die Temperatur auf seiner Oberfläche so ist, dass Wasser flüssig ist, denn dies wird als notwendige Bedingung für Leben erachtet; in der Praxis kennt man nur den Abstand der Planeten von ihrem Zentralgestirn und die abgestrahlte Leistung desselben und weiß nichts über ihre Atmosphäre (Stärke des Treibhauseffekts unbekannt); die „optimistische“ habitable Zone für unser Sonnensystem geht so von der Venusbahn bis kurz vor die Marsbahn.

⁵ Wilson PA et al. (2014) Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 438 (3), 2395-2405, Preprint in arXiv:1312.1360

Autor dieser News: Albrecht Ehrmann

Zurück zur Artikel-Übersicht: https://www.wort-und-wissen.org/publikationen/genesisnet/

19.03.12 Eine Nachlese zum OPERA-Experiment und schnellen Neutrinos

Vor einigen Monaten gingen Schlagzeilen durch die Presse, wonach das Weltbild der modernen Physik widerlegt sei. Grund dafür waren Messungen von Überlichtgeschwindigkeit von Neutrinos. Dies würde tatsächlich Modelländerungen erfordern, doch es hat sich mittlerweile herausgestellt, dass ein Messfehler vorliegt.

Gigantische Teilchenbeschleuniger im Stile des LHC (Large Hadron Collider) in der Schweiz oder dem Tevatron in den USA sind als Milliardengräber im wahrsten Sinne des Wortes nicht unumstritten. Zu wenig Nützliches kommt aus den Tunneln als Forschungsergebnisse hervor, lautet oft der Vorwurf.

Es scheint, als ob die Organisationskomitees der jeweiligen Beschleuniger deshalb besonders darauf aus sind, große Schlagzeilen zu machen, um diesen Bedenken zuvorzukommen und den weiteren Betrieb des Projekts zu gewährleisten. Aus den Sensationsmeldungen der Presse kann man dann meist nicht mehr erkennen, welche Bedeutung ein Befund tatsächlich hat.

So war es auch im September 2011, als die Mitarbeiter eines Teilchendetektors namens „OPERA“, der in Mittelitalien liegt, mit der Entdeckung von „Neutrinos schneller als das Licht“ (z. B. Spiegel-online, 23. 10.) überraschte. Die Meldungen überschlugen sich – „Einstein muss zittern“ (6. 10.) schrieb die FAZ, der tagesspiegel meinte gar „Wenn die Ergebnisse[…] stimmen, würde damit das gesamte Weltbild der modernen Physik widerlegt“. Andererseits wurde wild spekuliert, was bei der Messung alles schief gelaufen sein könnte.

Bei Neutrinos handelt es sich um sehr kleine, schnelle, und fast vollkommen unsichtbare Teilchen, die nur selten mit normaler Materie zusammenstoßen. Für das Experiment wurden diese Neutrinos am CERN in der Schweiz künstlich produziert und in einem fokussierten Strahl durch das Gestein nach Italien geschickt, wo die Neutrinos dann in sehr großen Absorberplatten registriert wurden. Der große Streitpunkt des Experiments ist der geringe Geschwindigkeitsüberschuss, der festgestellt wurde: 0,06 µs waren die Neutrinos auf 700 km Flugstrecke schneller als erwartet, was nur 0,002 % mehr als Lichtgeschwindigkeit bedeutet.

Das Experiment erforderte eine zuverlässige Bestimmung der Flugstrecke und Flugzeit über mehrere Jahre hinweg. Das wurde durch ein ausgeklügeltes System von Atomuhren und GPS-Positionierung bewerkstelligt, welches mit bewährten Methoden geeicht worden war. Nach wiederholter Überprüfung waren sich die Mitarbeiter der OPERA-Teams deshalb sicher, dass der gemessene Effekt außerhalb der üblichen Fehlertoleranzen liegt, also „echt“ ist. Entgegen den Pressemeldungen wurden bei der Analyse alle Effekte der Relativitätstheorie berücksichtigt und statistische Fehlerquellen beachtet oder beseitigt. Nachdem sich die anfängliche Aufregung gelegt hatte, verhielt sich deshalb zwischenzeitlich auch die Mehrzahl der Teilchenphysiker zurückhaltend. Seit wenigen Wochen wird jedoch ein Defekt an einer Kabelverbindung als mögliche Fehlerquelle in Betracht gezogen. Zudem hat die Arbeitsgruppe des ICARUS-Detektors am 15. März eigene Messungen veröffentlicht, die eindeutig den Ergebnissen von OPERA widersprechen, so dass momentan davon auszugehen ist, dass Neutrinos sich nicht mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen.

Mit Sicherheit wäre mit dem OPERA-Resultat nicht „das gesamte Weltbild der modernen Physik widerlegt“. Abseits aller experimentellen Herausforderungen würde auch eine eventuell benötigte neue Theorie die bestehenden Modelle erweitern.

Was bleibt, ist die neuerlich bestätigte Gewissheit, dass all unser Wissen Stückwerk ist. Gleichzeitig zeigt der Verlauf der Dinge abermals, wie vorsichtig sensationsheischende Meldungen zu behandeln sind.

(aktualisiert am 11.4.2012)

Autor dieser News: Studiengemeinschaft Wort und Wissen

Zurück zur Artikel-Übersicht: https://www.wort-und-wissen.org/publikationen/genesisnet/

09.07.11 Zum Problem langer Lichtlaufzeiten in einem jungen Universum

Die unvorstellbar großen Distanzen im Universum stellen ein Kurzzeitmodell der Kosmosgeschichte angesichts der endlichen Lichtgeschwindigkeit vor gewaltige Herausforderungen. Die in diesem Zusammenhang am häufigsten gestellte Frage lautet: Wie kann uns das Licht von Milliarden Lichtjahren entfernten Galaxien innert einiger tausend Jahre erreichen? Der Artikel „Die Konvention der Lichtkegel-Gleichzeitigkeit” (https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=2421&Sprache=de&l=1) stellt eine mögliche Antwort auf diese Frage vor, welche von Jason P. Lisle erarbeitet wurde. Sein Ansatz basiert auf dem Umstand, dass die Gleichzeitigkeit zweier räumlich entfernter Ereignisse in der Relativitätstheorie nicht eindeutig festgelegt werden kann. Lisle nützt diese Freiheit aus und schlägt eine Gleichzeitigkeits-Konvention vor, in welcher der Zeitpunkt der Erschaffung der Sterne mit dem Eintreffen von deren Licht auf der Erde zusammenfällt. In dieser Konvention nimmt die Lichtgeschwindigkeit je nach Ausbreitungsrichtung verschiedene Werte an. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht, welches sich auf den Beobachter zubewegt, wird unendlich groß, während sich vom Beobachter wegbewegendes Licht nur mit halber Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.

Mit seinem Artikel deckt Jason Lisle auf, dass das Problem langer Lichtlaufzeiten dadurch zustande kommt, dass die Einstein-Konvention, welche auf einer richtungsunabhängigen Lichtgeschwindigkeit beruht, auf den Schöpfungsbericht angewendet wird. Weil dazu weder aus biblischer noch physikalischer Sicht eine Notwendigkeit besteht, kann er einen eleganten Weg zur Lösung dieses Problems aufzeigen. Diese besteht darin, den Schöpfungsbericht innerhalb der oben skizzierten Gleichzeitigkeits-Konvention zu deuten. Für eine solche Interpretation lassen sich gute biblische Gründe vorbringen. Eingebaut in ein einfaches kosmologisches Modell hat dies zur Folge, dass wir alle Himmelskörper in einem Alter von einigen Tausend Jahren wahrnehmen, was den gängigen Vorstellungen des kosmologischen Standardmodells widerspricht. Hier liegt dann auch die große Herausforderung an sein Modell, nämlich aufzuzeigen, wie dieses mit den aktuellen kosmologischen Beobachtungen in Einklang gebracht werden kann.

Im Artikel Lichtkegel-Gleichzeitigkeit stellt Peter Trüb den Lösungsvorschlag von Jason Lisle genauer vor: https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=2421&Sprache=de&l=1.

Autor dieser News: Studiengemeinschaft Wort und Wissen

Zurück zur Artikel-Übersicht: https://www.wort-und-wissen.org/publikationen/genesisnet/

10.10.08 LHC: Der neue Beschleuniger des CERN, eine „Urknall-Maschine“?

Am 21. Oktober 2008 soll am Europäischen Kernforschungszentrum der neue Beschleuniger mit dem Namen „Large Hadron Collider“, kurz LHC, eingeweiht werden. Bereits am 10. September schaute die ganze Welt gebannt nach Genf, als zum ersten Mal ein Teilchenstrahl im 27 km langen Beschleuniger zirkulierte.¹ In diesem Zusammenhang war vom LHC häufig als so genannte „Urknall-Maschine“ zu lesen, mit welcher der Urknall simuliert werden soll.² Was ist davon zu halten? Beweisen die Experimente am CERN, dass die Welt durch einen Urknall entstanden ist? Oder ist das Ganze eine riesige Geldverschwendung ohne jeglichen Nutzen?

Als erster Schritt zur Beantwortung solcher Fragen ist es zunächst einmal wichtig zu verstehen, wie die Experimente des CERN ablaufen. Der Zweck des LHC ist es, Protonen (also Atomkerne von Wasserstoffatomen) auf möglichst hohe Energien zu beschleunigen und anschließend miteinander zur Kollision zu bringen. Durch die beim Zusammenstoß frei werdende Energie entstehen Hunderte von Elementarteilchen, welche zu einem großen Teil instabil sind und in andere stabile Teilchen zerfallen. Die Eigenschaften dieser Zerfallsprodukte werden von riesigen Detektoren genauestens bestimmt, mit dem Ziel, die bei der Kollision abgelaufenen Vorgänge zu rekonstruieren.

Das große Interesse, mit welchem Teilchenphysiker aus aller Welt die Experimente am CERN mitverfolgen, liegt darin begründet, dass die Teilchen am CERN mit einer Energie aufeinander prallen, die sieben Mal höher liegt als bei allen bisherigen Experimenten. Dadurch erhofft man sich, bisher unbekannte Teilchen zu entdecken, welche aufgrund ihrer großen Masse bei bisherigen Kollisionsexperimenten nicht beobachtet werden konnten. Nebst den bisher unerreicht hohen Energien sticht der LHC auch durch die riesige Anzahl ablaufender Kollisionen hervor, welche es erlaubt, auch extrem selten ablaufende Prozesse zu untersuchen. Dies ist insbesondere bei der Suche nach dem Higgs-Teilchen von großer Wichtigkeit, dessen Existenz erklären soll, weshalb Elementarteilchen eine Masse besitzen. Diese bisher ungeklärte Frage der Teilchenphysik war der wohl wichtigste Beweggrund zum Bau des LHC³ und zeigt, dass dessen Resultate von großem wissenschaftlichem Interesse sind, unabhängig von jeglichen Ursprungsfragen.

Das LHC-Projekt ist also in erster Linie ein Experiment, mit dem Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen bei sehr hohen Energien untersucht werden. Worin besteht nun der Zusammenhang zum Urknall? Dieser kommt dadurch zustande, dass im kosmologischen Standardmodell („Das Standardmodell“, https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42482&Sprache=de&l=1) davon ausgegangen wird, dass das Universum kurz nach dem Urknall sehr heiß war, d.h. dass die damals existierenden Teilchen eine sehr hohe Energie besaßen. Um diesen hypothetischen Zustand beschreiben zu können, sind die Kosmologen auf die Resultate der Teilchenphysik angewiesen, wie sie z. B. am CERN gewonnen werden. Die Experimente am CERN beweisen also keineswegs, dass das kosmologische Standardmodell richtig ist. Sie liefern lediglich Erkenntnisse, welche zur konkreten Ausformulierung dieser Theorie benötigt werden.

Das gegenwärtig allgemein akzeptierte kosmologische Standardmodell beinhaltet einige offene Fragen, auf welche man sich durch die Resultate des LHC Antworten erhofft. Beispielsweise wird im Urknallmodell die Existenz so genannter Dunklen Materie („Dunkle Materie und dunkle Energie“, https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42487&Sprache=de&l=1) benötigt, um die Entstehung von Galaxien und Galaxienhaufen erklären zu können. Das Potential des LHC, bislang unbekannte Elementarteilchen zu entdecken, weckt die Hoffnung, diese bislang unbekannte Materieform identifizieren zu können. Je nach Ergebnis wird es allerdings sehr schwierig sein, einen direkten Zusammenhang zwischen den Resultaten des LHC und bislang ungeklärten kosmologischen Fragen herstellen zu können. Von einer „Simulation des Urknalls“ kann also nicht die Rede sein.

Die mit Spannung erwarteten Ergebnisse des LHC werden leider noch einige Zeit auf sich warten lassen. Dies liegt nicht nur daran, dass der neue Beschleuniger nach einem Defekt momentan außer Betrieb ist und die ersten Teilchenkollisionen nicht vor Frühling nächsten Jahres stattfinden werden.⁴ Auch die Inbetriebnahme der äußerst komplexen Detektoren und die sorgfältige Analyse der gemessenen Daten werden längere Zeit in Anspruch nehmen. Damit wird mit größter Wahrscheinlichkeit noch mehr als ein Jahr vergehen, bevor erste, eventuell spektakuläre Resultate an die Öffentlichkeit gelangen werden.

¹ http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2008/PR08.08E.html.

² So zum Beispiel in „20 Minuten“: http://www.20min.ch/news/dossier/cern/story/13327165.

³ http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/WhyLHC-en.html.

⁴ http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2008/PR10.08E.html.

Autor dieser News: Peter Trüb

Zurück zur Artikel-Übersicht: https://www.wort-und-wissen.org/publikationen/genesisnet/

24.05.07 Erdähnlich – oder venusähnlich?

Anfang Mai 2007 ging es wie ein Lauffeuer durch die Presse: Es gibt sie: erdähnliche Planeten! Kosmisch gesehen direkt um die Ecke in nur 20 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Waage (siehe zum Beispiel „Erster bewohnbarer Exoplanet entdeckt”¹). Wer träumt da nicht sofort von einer Reise zu diesem exotischen Ort, wo es blaue Ozeane, eine unberührte Natur mit üppiger Vegetation und milde Temperaturen geben soll? Auf jedem Fall die Astronomen, die dieses Bild der Öffentlichkeit präsentierten.

Schauen wir aber, bevor die Euphorie jeden Realitätssinn verdrängt, zunächst mal die Fakten an: Der entdeckte Planet ist 1,5 mal so groß und 5 mal so schwer wie die Erde. Er umrundet alle 13 Tage den roten Zwergstern Giese 581. Aufgrund des Spektraltyps des roten Zwerges und des Abstands zwischen Stern und Planet wird die Oberflächentemperatur des Exoplaneten auf 0° – 40° C geschätzt.

Und die Ozeane? Und die bewohnbare Atmosphäre? Die Blumen, Vögel und Fische? Sie sind nichts als reines Wunschdenken! Paul Günter rückt in einem lesenswerten Kommentar von faz.net² die Tatsachen wieder ins rechte Licht:

„Der Exoplanet könnte genauso eine knochentrockene, von gigantischen Schluchten durchzogene Steinwüste mit extrem giftiger Atmosphäre sein. Tatsächlich weiß niemand, wie der Exoplanet beschaffen ist. Aber mit dem Hinweis auf mögliche Ozeane bringt man die eigene Entdeckung und sich selbst ins Gespräch.”²

Und damit nicht genug. Um den gedanklichen Irrtum noch klarer zu machen, vergleicht Paul Günter den neuen Exoplaneten bewusst mit unserem Nachbarplaneten, die Venus:

„Bei diesem blauen Planeten werden die Gedanken gezielt auf eine Erde gelenkt mit zwitschernden Vögeln oder Fischen, die sich in den Ozeanen des Exoplaneten tummeln. Und nicht etwa auf einen andern, ebenfalls erdähnlichen Planeten in unserer direkten Nachbarschaft – die Venus. Erdähnlich bedeutet für die Astronomen ja nur, dass der Planet klein ist und aus Gestein besteht. Bis in die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts hinein waren etliche Astronomen der Meinung, unter der undurchdringlichen Wolkenschicht der Venus könnten sich – wie auf dem Exoplaneten – riesige Ozeane verbergen, die Temperaturen auf ihrer Oberfläche seien nämlich allenfalls 30 oder 50 Grad höher als auf der Erde. Stattdessen registrierten die ersten Venussonden ungefähr 480 Grad.”²

Kommen wir also wieder auf dem Teppich zurück und belassen es mit der Feststellung, dass die Instrumente der Astronomen inzwischen genau genug geworden sind, um neben einer Reihe von bislang entdeckten Riesenplaneten nun auch kleinere unterscheiden zu können. In fünf bis zehn Jahren wird vielleicht der erste Exo-Mond entdeckt. Dann sind der romantischen Phantasie wohl keine Grenzen mehr gesetzt.

Quellen

¹ http://science.orf.at/science/news/147958

² http://www.faz.net/s/Rub6E2D1F09C983403B8EC7549AB44FA0EF/
Doc~E861E410E3FC94AD3A380BED1751383CC~ATpl~Ecommon~Scontent.html

Autor dieser News: Peter Korevaar

Zurück zur Artikel-Übersicht: https://www.wort-und-wissen.org/publikationen/genesisnet/

11.10.06 Physik-Nobelpreis 2006 für Forschungen zum Urknallmodell

Der diesjährige Nobelpreis für Physik ging an die zwei amerikanischen Kosmologen John Mather und George Smoot, die leitende Wissenschaftler des Satellitenexperimentes COBE zur Untersuchung des kosmologischen Mikrowellenhintergrundes waren. In den Medien fand diese Preisvergabe ein ungewöhnlich lautes Echo. Der Grund dafür: Viele sehen im Mikrowellenhintergrund einen Beweis für den Urknall. Der Beitrag der ARD-Tagesschau vom 3. Oktober zur Nobelpreisvergabe endete gar mit den Worten: „Dass sich damals die Materie überhaupt zusammengeballt hat und dass Sterne und ganze Galaxien entstanden sind, dafür waren Temperaturunterschiede von nur wenigen Hunderttausendstel Grad verantwortlich. Ohne diese minimalen Unterschiede gäbe es keinen Sternenhimmel und auch keine Menschheit. Und dass es dafür den Nobelpreis gibt, könnte auch ein deutliches Signal sein an die Zweifler, die gerade in Amerika immer mehr Einfluss gewinnen und solche naturwissenschaftlichen Erkenntnisse bestreiten.“ Wie kommt es, dass sich das staatliche Fernsehen in einer Nachrichtensendung zu solch einer kommentierenden Aussage veranlasst fühlt und ist sie angemessen?

Was wurde eigentlich entdeckt? Nach dem Urknallmodell war am Anfang sämtliche Materie auf engstem Raum zusammengeballt. Aufgrund der hohen Dichte war das Universum zu diesem Zeitpunkt sehr heiß, quasi ein einziger großer „Quanten-Feuerball“. In diesem Zustand befand sich die Strahlung im Gleichgewicht mit der Materie und hatte darum ein thermisches Spektrum oder ein sogenanntes Planck- oder Schwarzkörper-Spektrum. Das Gleichgewicht kam dadurch zustande, dass die Lichtteilchen (Photonen) laufend mit freien Elementarteilen, vorwiegend Elektronen, kollidierten. Das Universum dehnte sich dann kontinuierlich aus und kühlte aufgrund der sinkenden Materiedichte nach und nach ab. Als etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall das Universum eine kritische Temperatur unterschritt, konnten sich zum ersten mal neutrale Atome bilden. Das bedeutete, dass die freien Elektronen mit den positiv geladenen Protonen gebunden wurden und damit mit den Photonen praktisch nicht mehr kollidieren konnten. Damit wurde die Schwarzkörperstrahlung von der Materie entkoppelt und kühlte sich seitdem ab, ohne jedoch ihre spektrale Form zu verändern. Damit sagt das Urknallmodell die Existenz einer Schwarzkörperstrahlung voraus, die das ganze Universum gleichmäßig erfüllen sollte. Die Temperatur dieser Strahlung ist jedoch nicht vorhersagbar, sondern muss gemessen werden.

Eine solche Schwarzkörperstrahlung wurde dann auch tatsächlich entdeckt und zwar in Form des sogenannten Mikrowellenhintergrundes mit einer Temperatur von etwa 3 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Die Entdeckung wird offiziell den beiden Radioastronomen Arno Penzias und Robert Wilson 1965 zugeschrieben, die dafür 1978 den Nobelpreis für Physik bekommen hatten. Seither wurde dieser Mikrowellenhintergrund intensiv untersucht. Obwohl die nachfolgenden Untersuchungen die Schwarzkörperform des Spektrums zu bestätigen schienen, gab es auch Berichte von signifikanten Abweichungen in gewissen Bereichen des Spektrums. Auf der anderen Seite suchte man nach Fluktuationen in der Temperatur des Mikrowellenhintergrundes. Es wurde zwar aufgrund des Urknallmodells erwartet, dass diese Strahlung sehr gleichförmig sein müsse, jedoch forderten die aktuellen Modelle zur Bildung von Strukturen im Universum wie Galaxien und Galaxienhaufen, dass zumindest Abweichungen mit einer Stärke von ungefähr 0,01% bis 1% in der Temperatur vorhanden sein müssen. Allerdings schlugen alle Versuche fehl, solche Fluktuationen ausfindig zu machen. Immer präzisere Messungen bestätigten vielmehr die überwältigende Gleichmäßigkeit der Temperatur dieser Strahlung. Als man in den 1980er Jahren begann, Modelle vom Universum zu betrachten, deren Energiehaushalte von Dunkler Materie dominiert sind, konnte die Stärke der nötigen Fluktuationen wenigstens auf 0,001% gesenkt werden, um vorerst einer Falsifikation durch Beobachtungen auszuweichen.

Am 18. November 1989 wurde der Satellit COBE (COsmic Background Explorer) ins All geschossen. Dieser Satellit trug drei Messinstrumente mit sich: DIRBE, DMR und FIRAS. Zwei von diesen Instrumenten wurden genau zu dem Zweck entwickelt, bezüglich der oben genannten Fragen Klarheit zu schaffen: FIRAS, für welches John Mather verantwortlich war, sollte das Spektrum des Mikrowellenhintergrundes im Bereich 0,1-10 mm messen und mit einer Schwarzkörperstrahlung vergleichen und DMR, für welches George Smoot verantwortlich war, suchte nach Temperaturfluktuationen mit einer räumlichen Auflösung von 7 Grad. Und COBE war auch tatsächlich ein Erfolg. FIRAS konnte nachweisen, dass der Mikrowellenhintergrund eine präzise Schwarzkörperstrahlung mit einer Temperatur von 2,723 Grad über dem absoluten Nullpunkt ist und DMR konnte zum ersten Mal die ersehnten Temperaturfluktuationen mit einer Stärke der Größenordnung 0,001% nachweisen. Die COBE-Mission war eine außerordentliche technische Leistung und es überraschte nicht, dass sie nun mit dem Nobelpreis geehrt wurde.

Die Bedeutung dieser Entdeckung. Mit den Resultaten von COBE wurde die Tür für eine neue Qualität von Kosmologie geöffnet. Während vorher nur relativ ungenaue Aussagen über das frühe Universum möglich waren, hatte man nun quasi ein „Fossil” aus der Frühzeit des Universums. Mit den Daten von COBE und nachfolgenden Missionen (z. B. WMAP) konnten dann auch kosmologische Modellvorstellungen geprüft und Modellparameter mit nie da gewesener Genauigkeit bestimmt werden. Dies führte unter Kosmologen zu einem großen Enthusiasmus. So wird berichtet, dass John Mather im Januar 1990 anlässlich einer Konferenz, in der er seine Befunde präsentierte, mit einem Beifallssturm geehrt wurde (Sanderson & Hogan 2006). Der Physiker Stephen Hawking nannte 1992 Smoots Resultate sogar „die größte Entdeckung des Jahrhunderts – wenn nicht aller Zeiten“. Man sprach auch vom „heiligen Gral“ der Kosmologie und George Smoot selbst soll sogar gesagt haben, dass, wenn man die Fluktuationen betrachte, es sei, wie wenn man in das Angesicht Gottes schaue (Sanderson & Hogan 2006).

Das Nobelpreis-Komitee meinte, dass DMR und FIRAS „signifikant dazu beigetragen hätten, Kosmologie zu einer Präzisionswissenschaft zu machen“. Das COBE-Experiment dürfte in der Tat eines der wichtigsten Beobachtungen überhaupt in der Kosmologie sein und hat sicherlich wesentlich dazu beigetragen, die Kosmologie als Zweig der Physik zu etablieren. Dass die Bezeichnung „Präzisionswissenschaft“ angemessen ist, wird jedoch von manchen Kosmologen bezweifelt.

Ist der Mikrowellenhintergrund ein Beweis für den Urknall? Der Kosmologe George Efstathiou wird in Science zitiert (Cho 2006), „das Spektrum [der Temperaturfluktuationen, der Verf.] verifiziere jenseits jeden vernünftigen Zweifels, dass der kosmische Mikrowellenhintergrund im sehr frühen Universum gebildet worden sei“. Ist diese Aussage zutreffend?

Es ist wahr, dass die Kosmologie durch die Beobachtungen von COBE gewaltige Fortschritte gemacht hat. Die Beobachtungen des Mikrowellenhintergrundes wurden 2001 mit dem Satelliten WMAP fortgeführt, was die kosmologische Datenlage wiederum erheblich bereichert hat. Seit wenigen Jahren ist das kosmologische Konkordanzmodell etabliert, was hauptsächlich den Ergebnissen von WMAP zu verdanken ist. Es ist schwer abzustreiten, dass sich der Mikrowellenhintergrund tatsächlich sehr gut in das Urknallmodell einfügen lässt, wenn gewisse Modellparameter geeignet gewählt werden. Bisher ist es keiner alternativen Theorie gelungen, den Mikrowellenhintergrund mit seinem nahezu perfekten Schwarzkörperspektrum und seinen Temperaturfluktuationen so gut zu integrieren wie das Urknallmodell. Aber das darf nicht über die Tatsache hinwegtäuschen, dass auch das Urknallmodell nur ein Modell ist. Dieses Modell hat in den vergangen Jahren immer wieder teils größere Modifikationen erfahren und ist darum nicht über jeden Zweifel erhaben. In diesem Zusammenhang muss auch gesagt werden, dass gerade die Ergebnisse des Mikrowellenhintergrundes fordern, dass der Energiehaushalt unseres Universums zu etwa 96% aus Materie besteht, deren Natur uns völlig unbekannt ist und deren Existenz bislang auch in großen Teilchenbeschleunigern nicht nachgewiesen werden konnte. Von diesen 96% gehören etwa 74% zur sogenannten „Dunklen Energie“ und etwa 22% zur „Dunklen Materie“. Während es Hoffnung gibt, dass die Dunkle Materie in den nächsten Jahren im Teilchenbeschleuniger am CERN gefunden wird, tappen die Forscher bezüglich der Dunklen Energie völlig im Dunkeln. Mit diesen Bedenken soll weder der Verdienst der beiden amerikanischen Forscher geschmälert noch die Erfolge des Standardmodells geleugnet werden, aber sie sollen verdeutlichen, dass bislang wesentliche Fragen, die gerade durch den Mikrowellenhintergrund aufgeworfen wurden, nicht geklärt sind. Auch das Nobelpreiskomitee äußert sich zurückhaltend. Es akzeptiert zwar den Urknall, weist aber darauf hin, dass „fundamentale Fragen“ unbeantwortet blieben und dass die ersten Ereignisse nach dem Urknall immer noch „Spekulation“ seien.

Des weiteren wird in der Primärliteratur auch regelmäßig über Anomalien berichtet, die direkt mit den Temperaturfluktuationen des Mikrowellenhintergrundes zusammenhängen. (Das jüngste Beispiel dazu ist Lieu & Quenby [2006]. In der Literaturliste gibt es einen Link zu einer Pressemeldung darüber.) Es gibt sogar Versuche, den Mikrowellenhintergrund mit Schwarzkörperspektrum und Temperaturfluktuationen gänzlich ohne Urknall zu interpretieren (Narlikar et al. 2003). Das scheint auf Anhieb gar nicht schlecht zu gelingen, jedoch wurde das noch nicht mit den Daten von WMAP versucht.

Was hat das alles mit den Kreationisten zu tun? Das einleitende ARD-Zitat richtet sich zweifelsohne an die amerikanischen Kreationisten, die in der Tat das Urknallmodell zugunsten einer biblischen Schöpfung ablehnen. Es ist aber fragwürdig, ob eine solche Aussage in die Tagesschau eines staatlichen Senders gehört, insbesondere da mit dem Wort „Zweifler“ ein negativer Unterton gegenüber dieser Minderheit in den USA produziert wird. Außerdem bestreiten die amerikanischen Kreationisten die Erkenntnisse von COBE überhaupt nicht. Sie interpretieren sie nur anders (z. B. Hartnett 2001), wenn man in solchen Unterfangen auch fachliche Mängel sehen mag. Das ARD-Zitat erinnert hier an eine Reihe von früheren Fernsehsendungen, die auch tendenziöse Aussagen über den Kreationismus machten. Einige dieser Sendungen wurden kommentiert:

„Arte“ schürt Ängste durch Desinformation und Feindbilder, https://www.genesisnet.info/index.php?News=69

Frontal 21 und die „Wahrheit“, https://www.genesisnet.info/index.php?News=52

Kommentar zur ZDF-Sendung „Evolution – die große Lüge?“, https://www.genesisnet.info/index.php?News=45

Meines Erachtens ist es angebracht, Zurückhaltung zu üben bezüglich verabsolutierender Aussagen über das Urknallmodell. Einen „Beweis“ für den Urknall wird es nie geben. Und man sollte Menschen nicht gering achten, die nach anderen Ursachen für den Mikrowellenhintergrund suchen als den Urknall.

Buchempfehlung

Einen aktuellen kritischen Überblick über Kosmologie und Daten zum Urknallmodell liefert das vor wenigen Monaten erschienene Buch „Der vermessene Kosmos” der beiden Astrophysiker Norbert Pailer und Alfred Krabbe:

https://www.wort-und-wissen.org/produkt-kategorie/themen/astronomie/

Literatur

„Advanced information on the Nobel Prize in Physics 2006: Cosmology and the Cosmic Microwave Background”, The Royal Swedish Academy of Sciences, 3. October 2006. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006/phyadv06.pdf.

Cho A (2006) Astrophysicists Lauded for First Baby Picture of the Universe. Science 6. October 2006.

Hartnett J. G. (2001) Recent Cosmic Microwave Background data supports creationist cosmologies. TJ 15(1), p. 8. http://www.answersingenesis.org/docs2003/tj_151_cmb.pdf.

Narlikar JV. et al. (2003) Inhomogeneities in the Microwave Background Radiation Interpreted within the Framework of the Quasi-Steady State Cosmology, ApJ 585, 1-11.

Sanderson K & Hogan J (2006) Cosmic ripples net physics prize. Nature 5. October 2006.

Lieu R & Quenby J (2006) http://arxiv.org/abs/astro-ph/0607304. Pressemeldung dazu: Kein Schatten im Kosmos. Studie zur Hintergrundstrahlung von Galaxienhaufen wirft Zweifel auf Urknall-Theorie: http://www.wissenschaft.de/wissen/news/269621.html

Autor dieser News: Studiengemeinschaft Wort und Wissen

Zurück zur Artikel-Übersicht: https://www.wort-und-wissen.org/publikationen/genesisnet/

20.09.04 Vier neue Artikel über extragalaktische Astronomie

Die extragalaktische Astronomie beschäftigt sich mit dem Universum außerhalb unserer Milchstraße. Die dabei untersuchten Objekte sind Galaxien, Quasare, großräumige Strukturen, das Universum in sehr großer Entfernung usw. Die Welt außerhalb unserer eigenen Milchstraße ist heute immer noch relativ schlecht verstanden. Dies ist auch kein Wunder angesichts der Tatsache, dass unsere Untersuchungsmöglichkeiten sehr beschränkt sind. Das Einzige, was wir von diesen „fernen Welten“ empfangen, ist Licht in verschiedenen Wellenlängen und verschiedener Intensität. Zudem übertreffen die Dimensionen der extragalaktischen Astronomie unsere Erfahrung aus der Laborphysik und nicht selten auch unser Vorstellungsvermögen bei weitem.

In den vier Artikeln

Galaxien, https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42461&Sprache=de&l=1

Großräumige Strukturen, https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42462&Sprache=de&l=1

Aktive Galaxien, https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42463&Sprache=de&l=1

Der tiefe Blick ins Universum, https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42464&Sprache=de&l=1

werden aktuelle Erkenntnisse aus der extragalaktischen Astronomie vorgestellt. Dabei wird deutlich, dass nicht nur viele Fragen offen sind, sondern dass die Befunde auch nicht immer die Erwartungen des „Standardmodells“ (https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42482&Sprache=de&l=1), d. h. des Urknallmodells, erfüllen.

Hinweis: Zum Thema „Anomale Rotverschiebung“ (https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42484&Sprache=de&l=1) gibt es jetzt auch einen „Expertenteil“ (https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42484&Sprache=de&l=2), in welchem die entsprechenden astronomischen Befunde, die nicht gut ins Urknallmodell passen, noch detaillierter besprochen werden.

Autor dieser News: Studiengemeinschaft Wort und Wissen

Zurück zur Artikel-Übersicht: https://www.wort-und-wissen.org/publikationen/genesisnet/

14.08.04 Sieben neue Artikel im Fachgebiet „Kosmologie“

Kosmologie ist die Wissenschaft vom Universum als Ganzem. Sie versucht, die Entstehung und die Geschichte des Universums zu beschreiben und zu verstehen. Die aktuell vorherrschende und allgemein anerkannte Theorie ist dabei das Standardmodell. Laut dieser Theorie hat sich das Universum vor etwa 14 Milliarden Jahren durch einen Urknall gebildet und seither kontinuierlich ausgedehnt. In diesem Ausdehnungsprozess soll sich schließlich durch Strukturformation das heute beobachtete Universum gebildet haben.

Welche Beobachtungen im Universum führten zu dieser Theorie? Gibt es auch andere mögliche Erklärungen für diese Beobachtungen? Stimmt es, dass das Standardmodell zahlreiche erfolgreiche Vorhersagen gemacht hat? Gibt es Befunde, die nicht gut ins Standardmodell passen?

Bereits vor einiger Zeit ist auf Genesisnet ein Artikel über die „anomale Rotverschiebung“ (https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42484&Sprache=de&l=1) erschienen. Er legte dar, dass es durchaus astronomische Beobachtungen gibt, die mit dem Standardmodell nicht verträglich sind. Auch die neuen Artikel beschäftigen sich kritisch mit dem Standardmodell. Sie gehören zu einer Serie, die nun vollendet wurde.

Historische Entwicklung der modernen Kosmologie, https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42481&Sprache=de&l=1

Das Standardmodell, https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42482&Sprache=de&l=1

Mikrowellenhintergrund, https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42485&Sprache=de&l=1

Häufigkeit der leichten Elemente im Universum, https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42486&Sprache=de&l=1

Dunkle Materie und dunkle Energie, https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42487&Sprache=de&l=1

Inflation, https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42488&Sprache=de&l=1

Im Artikel „Quasi-steady-state cosmology“ (https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42501&Sprache=de&l=1) wird eine weitere Alternative zum Standardmodell vorgestellt, die bisher gut zu den Beobachtungen im Universum passt und den Alleinerklärungsanspruch des Standardmodells in Frage stellt.

Autor dieser News: Studiengemeinschaft Wort und Wissen

Zurück zur Artikel-Übersicht: https://www.wort-und-wissen.org/publikationen/genesisnet/

01.04.04 Erste Artikel im Fachgebiet “Astronomie, Astrophysik, Kosmologie”

Im Gebiet der Astrophysik scheint die Meinung der Wissenschaftler auf den ersten Blick recht einheitlich zu sein. Doch auch hier gibt es viele Ungereimtheiten. Die neuen Artikel beschäftigen sich daher mit der „Rotverschiebung“ (https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42483&Sprache=de&l=1) und erklären wie die Daten interpretiert werden können. Der „Anomalen Rotverschiebung“ (https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42484&Sprache=de&l=1) ist dabei ein eigener Artikel gewidmet.

Halton Arp ist ein bekannter Beobachtungsastronom, der zahlreiche Beobachtungen von Objekten gemacht hat, die dem Hubble-Gesetz zu widersprechen scheinen. Durch diese Beobachtungen wurde er zu einem völlig neuen Verständnis des Universums geführt. Seine Kosmologie wird im Artikel „Halton Arp“ (https://www.genesisnet.info/index.php?Artikel=42502&Sprache=de&l=1) näher betrachtet. Sein Buch “Seeing Red” wird im PDF (https://www.genesisnet.info/pdfs/Buchbesprechung_Seeing_Red_von_Halton_Arp.pdf) zu diesem Artikel ausführlich besprochen.

Autor dieser News: Torsten Poitzsch

Zurück zur Artikel-Übersicht: https://www.wort-und-wissen.org/publikationen/genesisnet/