Die nächsten 20 Jahre im All

Ich hatte letzte Woche die Gelegenheit, einen Vortrag von des britischen Astrophysikers und Königlichen Astronoms Martin Rees von der Cambridge University am Max-Planck-Institut für Physik in München zu besuchen. Der Vortrag fand im Rahmen der Reimar-Lüst-Lecture statt, einer Vortragsreihe der Max-Planck-Gesellschaft, die vor 10 Jahren zu Ehren des ehemaligen Präsidenten der Gesellschaft (sein 75. Geburtstag) eingeführt wurde und seitdem jährlich an einem der Institute stattfindet. Dieses Jahr war Prof. Lüst ebenfalls anwesend, genau wie viele andere Direktoren. Der Hörsaal war dann auch bis an den Rand vollgepackt, im hinteren Bereich standen alle, die später als 15 Minuten vor Vortragsbeginn gekommen waren (und keinen reservierten Platz wie die Direktoren z.B. hatten).

Nach einigen einführenden Worten zur Vortragsreihe und der Person Martin Rees begann dieser seine Präsentation. Er bezog sich in seinem Vortrag auch immer wieder auf Prof. Lüst, den er schon lange kennt. In diesem Bericht soll es aber ab jetzt nicht mehr um Personen gehen, sondern um den Inhalt des Vortrags. Ich werde ihn hier ungeprüft so wiedergeben, wie Rees ihn meiner Notizen vorgetragen hat.

„Die nächsten 20 Jahre im All aus der Perspektive eines Wissenschaftlers“

Rees begann mit einem Bild Isaac Newtons – seines Vorgängers als Königlicher Astronom, wie er dann auch gleich betonte. Newton war die erste Person, die die Möglichkeit des Raumsflugs in einer quantitativen Art und Weise erfasste, er berechnete sogar die Geschwindigkeit, die eine Kanonenkugel haben müsste, um in eine Umlaufbahn um die Erde einzutreten. Natürlich begriff er, dass dies völlig außerhalb der Möglichkeiten der Menschheit zu seiner Zeit war.
Der erste künstliche Satellit unserer Erde war Sputnik im 20. Jahrhundert. Das Weltraumzeitalter schritt dann schnell voran, heutzutage werden sogar hauptsächlich zivile Missionen unternommen, nicht mehr militärische. Die erste Mondlandung folgte bald, ist jetzt aber schon wieder so lange her, dass sie für die Kinder heutzutage zur alten Geschichte gehört, vom Gefühl her genauso weit weg wie die Errichtung der ägyptischen Pyramiden.

Von der Allgemeinheit werden die Nahaufnahmen der Planeten als größte Errungenschaft der Raumfahrt gesehen. So wird ein Highlight des kommenden Jahrzehnts auch die Landung auf einem Kometen im Rahmen der Rosetta-Mission sein.

Bild des Jupiter-Monds Europa (NASA/JPL/DLR)Besonders interessant ist auch der Jupiter-Mond Europa. Dieser Mond besteht vermutlich im Inneren aus flüssigem Wasser und könnte durchaus Leben beherbergen. Hier wäre eine Mission mit Landung auf dem Eis über diesem Ozean auch sehr spannend, vielleicht ist es damit möglich, herauszufinden, was sich wirklich unter dem Eis befindet.

Hier kann man auch die Huygens-Mission erwähnen, die mit Cassini zum Saturn geflogen ist und dort vollautomatisch auf dem Mond Titan gelandet ist. Beim Anflug konnten spektakuläre Aufnahmen der Oberfläche des von Wolken bedeckten Monds gelingen, die vielleicht Seen aus flüssigem Methan zeigen. Hier sind Nachfolger-Missionen zu erhoffen.

Spannend ist ebenfalls die Suche nach extrasolaren Planeten. Noch 1995 gab es keinen einzigen Hinweis auf Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, heutzutage sind etwa 300 Planeten bekannt, deren Zahl zudem stets rapide ansteigt. Man findet diese Planeten, indem man sich den „Mutterstern“ anschaut und aus Analyse der Bewegungsdaten dieser Sonne auf Planeten schließt. Es gibt sogar einen Stern, von dem man weiß, dass er mindestens fünf Planeten hat.

Die meisten Planeten werden mit recht bescheidenen Teleskopen gefunden, so sind die meisten dann auch von der Größe Jupiters. Um mehr erdähnliche Planeten zu finden, müssen vielleicht größere Teleskope verwendet werden.

Wenn man sich vorstellt, dass ein erdähnlicher Planet entdeckt werden sollte, sind die Daten, die man in der Zukunft allein durch eine direkte optische Beobachtung herausfinden kann, enorm. Durch die zeitliche Änderung der verschiedenen Blautöne und einer spektralen Analyse wird man auf das Vorhandensein von Kontinenten, Jahreszeiten, Tageslänge und chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre schließen können. Dies ist in den nächsten 20 – 30 Jahren eine ernsthaft zu erwartende Möglichkeit.

Planeten entstehen ja nach der gängigen Theorie aus einer Staubscheibe (was Lüst schon 1951 vorgeschlagen hat, damals aber von der Fachwelt ignoriert wurde). Am Ende ihres Lebens „sterben“ Sterne dann manchmal in einer Supernova-Explosion. Unter bestimmten Bedingungen wird die gesamte Energie einer solchen Explosion in wenigen Sekunden anstelle von Tagen und entlang der Drehachse des Sterns frei – das nennt man dann einen Gamma Ray Burst.

Vor zwei Wochen fand ein sehr großer solcher Gammastrahlen-Ausbrüche statt, der zudem noch so hell (5 Größenklassen) war, dass man ihn fast mit bloßem Auge sehen konnte. Dabei war dieser Ausbruch sehr weit von uns entfernt (Rotverschiebung von 1, d.h. die beobachtete Wellenlänge war durch die Geschwindigkeit, mit der sich die Quelle von uns wegbewegt, um ihren eigenen Betrag in Richtung langer Wellenlängen verschoben). Eine ganze Galaxie in dieser Entfernung wäre nicht mit bloßem Auge zu sehen.

Man nimmt an, dass durch einen Gamma Ray Burst Schwarze Löcher entstehen. Dies ist ebenfalls ein Thema für die nächsten Jahrzehnte: Verhalten sich Schwarze Löcher genauso wie von Einstein vorausgesagt? Man kann die Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher herum beobachten und je nach Verschiebung der Spektren des Lichts, das diese Scheiben emittieren, die Relativitätstheorie testen. Schwarze Löcher, die sich drehen, erlauben noch zusätzliche Bahnen um sie herum, die ebenfalls untersucht werden können. Der älteste Quasar (ein Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie, das einen Materiestrahl ausstößt) wurde bei einer Rotverschiebung von 6.4 entdeckt. Wird es möglich sein, direkt noch weiter in die Geschichte des Universums zurückzublicken?

Kollision zweier Galaxien - Brad Whitmore (STScI) and NASAEine weitere Möglichkeit, die Relativitätstheorie zu testen, ist durch die Vibrationen in der Struktur des Raums selbst. Wenn zwei Galaxien kollidieren, kommen sich die Schwarzen Löcher in ihren Zentren auch immer näher. Durch dynamische Reibung sinken sie bis in die Mitte, wo sie irgendwann miteinander verschmelzen werden. Dabei entstehen Gravitationswellen.

Mittels des LISA-Projekts sollen solche Wellen gemessen werden können. Zunächst wird viel „Rauschen“ gemessen werden, das z.B. von Doppelsternsystemen hervorgerufen wird, aber auch Schwarze Löcher werden hoffentlich detektierbar sein.

Aber was geschieht hinter einer Rotverschiebung von z=6? Zu diesem Zeitpunkt war das Universum eine Milliarde Jahre alt, erst 1/10 des heutigen Alters. Dies könnte sich als „das Ende des Dunklen Zeitalters“ bezeichnen lassen, denn bisher haben wir keine oder nur wenige Beobachtungen von vor dieser Zeit. In den nächsten Jahrzehnten werden hoffentlich noch mehr Gamma Ray Bursts, Quasare usw. aus dieser frühen Zeit des Universums entdeckt werden.

Natürlich kann man auch aus der Struktur in der Kosmischen Hintergrundstrahlung etwas erfahren. Mächtigere Computersimulationen, basierend auf einem besser etablierten kosmologischen Modell, werden auch einen großen Erkenntnisgewinn bringen. Das Projekt LOFAR soll außerdem ein Antennenarray bauen, mit dem niedrige Radio-Frequenzen gemessen werden können.

Ein kürzlich gelungener Durchbruch waren die Fluktuationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung, die WMAP gemessen hat. Es ist außerdem gelungen, mittels Computersimulationen aus diesen Fluktuationen auf die Struktur des heutigen Universums zu schließen, alles passt zusammen und ist konsistent. Falls es in der kosmischen Hintergrundstrahlung zu wenige Fluktuationen gegeben hätte, wäre heutzutage alles ein homogener Brei aus Wasserstoff; hätte es zu viele gegeben, gäbe es nur wenige, riesige Haufen von Galaxien.

Jetzt werden die Dinge etwas spekulativ. Die Frage ist, wie die Fluktuationen in der Hintergrundstrahlung entstanden sind. Eine Möglichkeit ist es, dass sie von Quantenfluktuationen stammen aus einer Zeit, als das gesamte Universum einen Durchmesser von 10 cm hatte. Es gibt viele, viele Ideen dazu. In den nächsten Jahrzehnten ist eine Eingrenzung auf einige wenige verschiedene, überprüfbare Theorien zu erwarten.

Eine andere Frage ist es, was hinter unserem Horizont (etwa 10^10 Lichtjahre) liegt. Wir können dies einfach nicht wissen, aber das Fehlen von wahrnehmbaren Gradienten auf der Hubble-Skala lässt erwarten, dass unser Universum 10^15 Lichtjahre oder sogar 10^100 Lichtjahre groß sein könnte. Außerdem könnte es das Resultat eines Urknalls von vielen sein…

Dann bleibt noch die „unbeendete Aufgabe des 20. Jahrhundert“: Die Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantenmechanik, die notwendig ist, um den Anfang des Universums wirklich verstehen zu können. Dabei wird der Large Hardron Collider am CERN sicherlich helfen.

Die Zeit, die für die Menschheit bisher verstrichen ist, ist geringer als diejenige, die noch vor uns liegt. Die Kreaturen, die irgendwann in der Zukunft das Ende unserer Sonne miterleben werden, werden so anders als den heutigen Menschen sein, wie wir uns von den ersten Bakterien unterscheiden. Schon Woody Allen sagte: „Die Unendlichkeit ist sehr lang, besonders gegen Ende.“ Es gibt noch viele Dinge über das Universum herauszufinden, was dort draußen ist, warum es so ist, wie es ist.

Dann gab es noch Fragen. Ich möchte hier nur auf die letzte eingehen, nämlich die Frage, welches der vorgestellten Satellitenprojekte Rees auswählen könnte, wenn er die Möglichkeit dazu hätte.

Die Antwort war, dass er anbetrachts der anwesenden Direktoren der Max-Planck-Institute keine Wahl treffen wolle. Aber eine Empfehlung wollte er geben: Dass Europa sich völlig aus der bemannten Raumfahrt heraushalten solle und sich stattdessen auf die unbemannten Projekte konzentrieren solle. Dann bestünde die Chance, dass Europa Amerika bald in dieser Disziplin überholen würde, so, wie es z.B. in der Teilchenphysik bereits geschehen ist. Er schloss mit dem Satz „I hope that was controversial“ – ich hoffe, das war kontrovers.

Dies erklärte dann auch, warum Rees in seinem ganzen (übrigens sehr interessant und spannend vorgetragenen) Vortrag nicht auf die Mars-Flug-Pläne der Amerikaner eingegangen ist. Ich persönlich teile diese Meinung nicht, ich denke, durch die Anwesenheit von Menschen werden viele andere Personen interessiert und bestenfalls auch inspiriert, sich mit Wissenschaft und Technik zu beschäftigen.  Das Apollo-Programm jedenfalls hatte wohl diesen Effekt. Und ich finde auch die Einstellung „Wir müssen besser als die Amerikaner werden“ etwas bedauerlich. Aber natürlich ist es eine Sache, die diskutiert werden sollte. Sind die enormen Kosten der bemannten Raumfahrt es wert?


Bilder: NASA/JPL/DLR und STScI/NASA

 

 

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Erhöht man die Spannung zwischen zwei Elektroden, die ein Gas umgeben, beginnt das Gas irgendwann zu leuchten: Freie Elektronen im Gas haben genug Energie, um die Gasteilchen zu ionisieren und noch mehr Elektronen aus den Atomen zu schlagen. Ein Plasma wurde gezündet, die Zündspannung ist erreicht. Gibt man nun noch zusätzlich Mikrometer große Teilchen in das Plasma, erhält man ein sogenanntes "Komplexes Plasma", mit dem ich mich zunächst als Doktorand und Post-Doc am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und nun an der University of California in Berkeley beschäftige. In diesem Blog möchte ich sowie ein wenig Einblick in den Alltag im Forschungsinstitut bieten, als auch über den (Plasma)-Rand hinaus blicken. Mierk Schwabe

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