Der Kosmische Reigen

Meine lieben,
in einem Astro-Newsletter wurde am Sonntag jemand gesucht, der die Frage beantwortet, wieso sich irgendwie alles im Universum umeinander dreht. Vorgabe der Redaktion war, dass die Antwort ganz ohne Mathematik und einfach gestaltet sein soll, so dass sie auch von Menschen verstanden wird, die nicht in der Materie so drin stecken. Anscheinend gibt es die in diesem Newsletter. Ich habe mich mal an die Beantwortung dieser Frage gewagt.
Die Beantwortung der Frage war durchaus unter dieser Bedingung, dass sie für „alle“ verständlich sein soll, nicht einfach. Hätte es mir leichter vorgestellt.

Die Frage war folgende:

Bei der Lektüre des Newsletters wird immer wieder klar, wie schnell sich die Erde um sich selbst dreht, diese wiederum um die Sonne und die Sonne mit uns und den anderen Planeten in und mit der Milchstrasse. Da wird einem schwindlig. Es stellt sich die Frage – warum dreht sich das alles? Warum dieses kosmische Karusell?“

Dann will ich mal versuchen diese Frage zu beantworten.

Ja, da würde uns tatsächlich schwindelig werden, wenn wir etwas von den ganzen Bewegungen spüren würden.
Schwindel und Seekrankheit entstehen immer dann, wenn wir unseren ruhenden Bezugspunkt verlieren, z. B. auf Wellen, im Flugzeug, in Fahrgeschäften auf dem Rummelplatz und ja, auch im All werden Astronauten zuweilen von der Raumkrankheit geplagt.
Aber lassen wir diese Unpässlichkeiten und wenden uns dem kosmischen Tanz zu, an welchem alle Teile unseres Universums beteiligt sind.

Wir Staunen

Vor dem Wissen kommt immer zuerst das Staunen.
Zum Glück bewegen wir uns mit der Erde in ihrer Drehrichtung mit, so dass sie uns in Ruhe scheint. Von der Erdbewegung um die Sonne spüren wir ebenfalls nichts, weil wir das gemeinsam mit der Erde tun, die wir als ruhend empfinden. Und so verhält es sich mit der Bewegung der Sonne um das Zentrum der galaxis, in dessen Mitte sich das geheimnisvolle schwarze Loch Sagittarius A Stern mit mehreren Millionen Sonnenmassen befindet,
Diese bewegt sich mit Milliarden anderer Galaxien auf ein Zentrum zu, bzw. um eines herum, dass man den großen Attraktor nennt.
Ob das Universum als ganzes eine Drehbewegung vollführt, wissen wir nicht, weil wir kein zweites besitzen, an welchem wir das relativ zu uns messen könnten.

Kein Ort der Ruhe

Ich behaupte, dass es Ruhe in unserem Sinne im Universum nicht gibt. Alles bewegt sich irgendwie relativ zueinander. Alleine schon durch die Wucht des Urknalls, die Ausdehnung des Universums, wenn dessen Bestandteile zusammenstoßen, oder auseinander streben, wenn sich Körper anziehen oder durch andere Körper beeinflusst aus ihren Bahnen geworfen werden, entstehen zufällige Bewegungen in alle Richtungen. Da ist es sehr wahrscheinlich, dass Objekte in eine Drehbewegung versetzt werden.
Auf atomarer Ebene ist das ebenso. Alles ist in Schwingung und Bewegung. Das ist der kosmische Tanz.

Was ist eine Drehbewegung überhaupt

Um unsere Frage zu beantworten, müssen wir uns auch darüber klar werden, was eine Drehbewegung überhaupt ist.

Die Einfachste

Die einfachste Bewegung, die wir uns vorstellen können, ist die geradlinige gleichförmige Bewegung, z. B. ein Auto, das mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf einer geraden Straße entlang fährt. Dass es überhaupt keine gerade Straße gibt, weil die Erde selbst gekrümmt ist, soll uns bei unseren kleinskaligen Strecken nicht bekümmern.

Der freie Fall

Eine weitere Bewegung, die wir aus dem Alltag kennen, ist der Fall. Alles fällt zu Boden, weil unsere Erde es anzieht. Ein Objekt fällt um so schneller, desto mehr Zeit es zum Fallen hat, Will sagen, aus welcher Höhe man es losgelassen hat. Das nur am Rande. Im Vakuum fallen alle Objekte gleich schnell.

Alltagsphysik

Aus diesen beiden Bewegungsarten (gleichförmige Bewegung und der freie Fall) ergibt sich dann unter Umständen eine weitere Alltagserfahrung.
Wenn wir einen Gartenschlauch schräg nach oben halten, aus welchem ein Wasserstrahl spritzt, so sehen und erleben wir, dass das Wasser zunächst nach oben steigt, um dann in einem weiten Bogen wieder zur Erde zu fallen. Das kommt doch einer Drehbewegung immerhin schon sehr nahe. In Wirklichkeit beschreibt der Strahl einen Teil einer Parabel, weil die Erde in der Zeit, die das Wasser zum Fallen benötigt, das Wasser durch ihre Anziehungskraft beschleunigt. Es fällt immer schneller.
Das soll uns aber hier auch nicht stören, denn wir wollen es ja für alle, also ohne Mathematik erklären. Wichtig ist für uns bei diesem Schlauch-Experiment, dass wir erkennen, dass sich Kräfte und Bewegungen überlagern können, ohne sich nicht weiter zu stören. Die Kraft des Wasserdrucks, die den Wassertropfen eine Geschwindigkeit in eine Richtung verleihen, überlagert sich sobald das Wasser den Schlauch verlassen hat, mit der Erdanziehung. Zusätzlich erfährt das Wasser also, wie es sich gleichzeitig in die Richtung, z. B. schräg nach oben, und durch die Erdanziehung beschleunigt auf die Erde zu bewegt. Der Druck nach schräg oben und der Zug in Richtung Boden zwingen das Wasser zu dem „Kompromiss“ beider Kräfte, in erwähnte bogenförmige Bahn. Es ist klar, dass die Erde in jeden Fall diesen Kampf gewinnen wird.

Vom Garten ins All

Möchte man z. B. zum Mond fliegen, so müssen wir der Erdanziehung quasi entkommen. Ansonsten würde es den Astronauten so ergehen, wie dem Wasser in obigen Beispiel. Sie würden mit Sack und Pack in einer parabolischen Bahn wieder zurück zur Erde fallen.

Was passiert aber nun, wenn die Kraft des Triebwerkes dem Raumschiff eine Geschwindigkeit und Richtung verleiht, die bei einer gewissen Entfernung von der Erde genau der Erdanziehungskraft entspricht? Genau. dort fällt das Objekt dann nicht mehr zur Erde zurück, sondern fällt für alle Zeiten quasi um die Erde herum. Die Richtungen der Bewegungskraft des Objektes und die der Erdanziehung stehen nun rechtwinklig zueinander und zwingen das Objekt auf eine Kreisbahn um die Erde. Bei der Masse unserer Erde liegt diese Bahn allerdings noch innerhalb unserer Atmosphäre, von welcher dieses Objekt abgebremst wird, weshalb es dann schließlich doch wieder zur Erde zurück fallen würde.
Es gibt da noch eine zweite Fluchtgeschwindigkeit, die unser Raumschiff auf eine sog. elliptische Keplerbahn bringt, und eine dritte, die es uns schließlich erlaubt, das Schwerefeld der Erde zu verlassen, um die Reise zu Mond oder Mars antreten zu können.

Die Raumstation kann sich nur da oben halten, weil sie mit einer Geschwindigkeit rechtwinklig zur Erdanziehung fliegt. Wäre sie langsamer, würde sie abstürzen. Wäre sie schneller, dann könnte sie ihre Bahn nur dadurch verteidigen, indem sie schneller fliegt. Das müsste sie auch, wäre sie in einer niedrigeren Umlaufbahn.

Eine langsamere Gangart könnte sie nur auf einer höheren Umlaufbahn einschlagen. So bewegen sich auch die inneren Planeten stets schneller um die Sonne als die äußeren. Merkur in 88, die Erde in 365 tagen und Saturn in 30 Jahren.

In Wahrheit bewegen sich Planeten auf elliptischen Bahnen um ihre Sonnen. Wie stark die Bahnen elliptisch sind, hängt davon ab, wie die Startbedingungen des Systems waren, bzw. ob ein vorbeiziehendes massereiches Objekt die Umlaufbahn verzerrt hat. Der Kreis ist quasi ein Sonderfall einer Ellipse. Bei ihm liegen eben beide Brennpunkte auf einem Punkt, dem Mittelpunkt. Das aber nur der Vollständigkeit wegen.

Eine Drehbewegung ist also stets eine Bewegung, die aus zwei Komponenten besteht. Die eine ist die Richtung, in welche der Körper fliegen würde, wenn da nicht die zweite Kraft, in unserem Fall durch Massenanziehung verursacht, wäre.

Wir haben ja schon gesagt, dass sich im Universum alleine durch seine turbulente Entstehung, aber auch durch Temperatur, andere Strahlung, aber vor allem durch die Gravitation (Massenanziehung), alles durcheinander bewegt. Die Gravitation und die „dunkle Materie“ sorgen dafür, dass sich zwar Sterne um das Zentrum ihrer Galaxien drehen dürfen, aber nicht in irgend eine Richtung einfach auf und davon fliegen.

Und hier schließt sich der Kreis zu unserem Kapitel über das Staunen. Alles im Universum besitzt einen Drehimpuls und beteiligt sich somit am kosmischen Tanz.

Erstaunlich ist, dass es nach statistischen Beobachtungen so scheint, dass die bevorzugte Drehrichtung von Planeten, Sonnen und Galaxien links herum führt. Das lässt uns mit der Frage zurück, ob vielleicht schon der Urknall einen Drehimpuls, wovon auch immer, abbekommen hat.

Die beiden Männer, welche die Bewegungen von Planeten um die Sonne mathematisch beschrieben, waren Johannes Kepler und Isaac Newton. Die sparen wir uns aber für einen weiteren Artikel auf.