Meine lieben,
und gleich geht es wieder tierisch auf Blindnerd weiter.
Einleitung
heute Nacht ist mir plötzlich siedendheiß eingefallen, dass wir ja mit unseren süßen Kätzchen am Himmel noch gar nicht fertig sind. Ich erinnerte mich an eine Podcastfolge des Podcasts @wrint (Wer redet ist nicht tot) von Holger Klein und der Astronomin Rut Grützbauch, die das hörens- und lesenswerte Buch „Per Lastenrad durch die Galaxis“ geschrieben und selbst als Hörbuch aufgelesen hat.
Außerdem passt das Thema gerade sehr gut, weil ich am Wochenende quasi mein musikalisches Come Back bei einer Charity-Veranstaltung feiern durfte, deren Erlös an den Verein „Katzenstimme“ ging, der sich um Katzen kümmert, die kein Zuhause haben.
Das war nach der ganzen Pandemiepause mal wieder richtig schön für mich, mit meiner Gitarre und meiner Mundharmonika mal wieder in ein Mikrofon zu schreien…
Ich hatte nach der dreijährigen Pause richtig Angst davor, aber nach drei Gitarrengriffen und einigen Stößen in meine Bluesharp war der Rampensau-Modus wieder aktiviert, als wäre nichts gewesen.
Aber nun zu unserer Katzengeschichte.
das Auge der galaktischen Katze
Der Katzenaugennebel, auch unter der Katalogbezeichnung bekannt als NGC 6543 ist ein bemerkenswertes astronomisches Objekt, das sich im Sternbild Drache befindet. Er ist einer der eindrucksvollsten planetarischen Nebel am Nachthimmel und fasziniert Hobbyastronomen und Wissenschaftler gleichermaßen.
Kleine Anmerkung am Rande
Das Wort „Planetarer Nebel“ hat nichts mit Planeten zu tun. Vermutlich kam man zu dem Begriff, weil es sich dabei immer um einen Stern handelt, der mindestens von einer Hülle umgeben ist.
Namensgebung
Der Name Katzenaugennebel leitet sich von der markanten Erscheinung ab, die an die Pupillen eines Katzenauges erinnert.
Weil er sich fast am Nordpol der Erdbahn befindet, wird er manchmal auch als Polarnebel oder Ekliptik-Nordpolnebel bezeichnet.
Wenn man ihn mit einem Teleskop beobachtet, sieht man In seinem Inneren einen hellen Punkt, der dann von einem Halo umgeben ist. Und das ganze wird dann noch von einer weiteren Hülle umgeben. Das kommt einem Auge mit Pupille sehr nahe. Und wie wir wissen, leuchten Katzenaugen in der Dunkelheit.
Entdeckung
Der Katzenaugennebel wurde erstmals im Jahr 1786 von dem Astronomen William Herschel entdeckt. Der baute damals die besten Teleskope der Welt und hatte in seiner Schwester die beste Assistentin, die er sich hätte wünschen können. Diese Frau muss man in diesem Zusammenhang immer würdigen, weil sie sich in dieser Männer dominierten Naturwissenschaft durchsetzte und großen Ruhm erlangte. Ich würdigte sie in meinem Artikel Weltfrauentag 2018.
Ort und Sichtbarkeit
Der Katzenaugennebel befindet sich etwa 3.000 Lichtjahre von uns entfernt im nördlichen Sternbild Drachen und ist somit ein Teil unserer Milchstraßengalaxie.
Leider hat er nur eine Helligkeit von 8,1 Magnituden. Das bedeutet, dass er mit bloßem Auge nicht sichtbar ist. Mit unbewaffnetem Auge kann man gerade noch am unverschmutzten Himmel Sterne der Größenklasse fünf erkennen. Darüber sprachen wir bereits im Die Himmelskatze. und noch mehr Informationen zur Messung der Helligkeit und Lichtverschmutzung findet ihr bei mir in Im dunkeln sieht man besser.
Was ist aber nun der Katzenaugennebel.
Er ist im Grunde das, was unserer Sonne noch bevorsteht, ein roter Riese im Übergang zu einem weißen Zwerg. Ein Stern, am Ende seines Lebens also. Ja, wir sehen diesem Stern beim Sterben zu.
Die meisten Sterne enden als Weißer Zwerg. Andere werden zu Neutronensternen oder gar zu einem schwarzen Loch.
Der Stern, aus dem der Katzennebel wurde, hat seine Kernverschmelzung von Wasserstoff zu Helium in seinem Inneren bereits beendet. Auch das dann einsetzende Heliumbrennen zu Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und anderen Elementen, die leichter als Eisen sind, das ihn zu einem roten Riesen aufblähte, ist vorüber. Nun kommt es dazu, das solch ein Stern sich in einer fulminanten Explusion schlagartig eines Großteils seiner Masse entledigt, und dass der innere Kern, der nun nichts mehr der Schwerkraft entgegen zu setzen hat, eben zu einem sehr massereichen weißen Zwerg kollabiert. Weiß ist er deshalb, weil er sehr heiß ist und dadurch weißes Licht absondert. Ein Teelöffel voll seines Materials wiegt mehrere Tonnen. Die abgestoßene Hülle bildet nun den planetaren Nebel. Wer mehr über diese Zwerglein wissen möchte, findet das bei mir im Artikel Bombur, dem schweren Zwerg aus dem kleinen Hobbit.
Seine Erscheinung macht den Katzennebel so interessant für die Wissenschaft.
In der Mitte des Nebels befindet sich der helle, weiße Zentralstern, der das intensive Licht und die Energie abgibt, um die umgebenden Gase zum Leuchten zu bringen. Diese Gase sind hauptsächlich Wasserstoff und Helium, die von der energiereichen Strahlung des Sterns ionisiert werden.
Der Nebel hat eine zweischichtige Struktur: Eine innere Sphäre aus heißem Gas und eine äußere Hülle aus kühleren, expandierenden Gasen. Die innerste Sphäre besteht aus ionisiertem Gas, das vom Zentralstern ausgestoßen wurde. Dieses Gas ist so heiß, dass es bläulich erscheint. Die äußere Hülle besteht aus kühlerem, expandierendem Gas, das eine rote Färbung aufweist.
Beobachtung und Erforschung
Der Katzenaugennebel ist ein beliebtes Ziel für Hobbyastronomen, da er mit Teleskopen gut sichtbar ist. Seine charakteristische Struktur und auffällige Farben machen ihn zu einem beeindruckenden Anblick. Professionelle Astronomen verwenden moderne Teleskope und Instrumente, um detaillierte Untersuchungen der Gase, Strukturen und des Zentralsterns des Nebels durchzuführen.
Die Beobachtung und Erforschung von Nebeln wie dem Katzenaugennebel tragen zur Erweiterung unseres Verständnisses der stellaren Evolution und der Entstehung von Nebeln bei. Zudem ermöglichen sie Einblicke in die Entwicklungsprozesse von Sternen und den Kreislauf von Materie im Universum.
Wer möchte und kann, findet bei Wiki sehr viele Bilder und noch detailliertere physikalische Beschreibungen, die ich uns hier erspare.
Und wer sich noch mehr für weiße Zwerge und sonstige „Sternleichen“ interessiert, wird bei mir in den Artikeln zu Den Schwarzen Löchern entgegen fündig.
Meine lieben,
Gerne lese ich dann und wann Weltraumbücher für Kinder, weil ich in ihnen immer mal wieder auf ganz verblüffende kindgerechte Erklärungen physikalischer oder astronomischer Phänomene stoße. Diese Ideen verwende ich dann für meine Kinderveranstaltungen.
gestern hörte ich in dem Astronomiebuch „Hat der Weltraum eine Tür“ für Kinder und Jugendliche der Kinderuniversität Tübingen zum ersten mal von einem spannenden Versuch, mit welchem die Lichtgeschwindigkeit gemessen wurde.
Dieser geniale Versuch ist der Anlass zu diesem Artikel.
In Station sechs zu meiner Serie zu den schwarzen Löchern streiften wir die Messung der Lichtgeschwindigkeit zwar kurz, sind dort aber eher auf weitere Eigenschaften des Lichtes eingegangen. Heute schauen wir uns an, wie man sich allmählich der Lichtgeschwindigkeit mittels verschiedener Versuche annäherte.
Galileis Misserfolg
Sehr frühe Diskussionen über die Geschwindigkeit des Lichts stammen aus dem 17. Jahrhundert. Galileo Galilei war einer der ersten, der versuchte, die Geschwindigkeit des Lichts zu messen. Er nutzte dabei eine Methode, die auf der Beobachtung der Laternensignale entfernter Beobachter basierte. Obwohl er einige Schätzungen machte, war sein Ansatz unzureichend, da die Lichtgeschwindigkeit extrem hoch ist und die technischen Mittel der damaligen Zeit nicht ausreichten, um eine präzise Messung vorzunehmen.
Wie sein Versuch genau ablief, konnte ich nicht herausfinden.
Ein Mond verspätet sich
Im Jahr 1676 stellte der dänische Astronom Ole Roemer fest, dass die Zeiten zu welchen der Mond IO seinen Planeten, Jupiter, verdeckt, je nach der Position der Erde zum Jupiter bis zu mehreren Minuten variierten. Das passte so gar nicht zu den Zeiten, die man mittels Tabellen und Formeln vorausberechnet hatte. Man kann sich gut vorstellen, dass er mit seiner beunruhigenden Beobachtung sofort zu seinem Vorgesetzten, dem großen und berühmten Astronomen Giovanni Domenico Cassini, der zu der Zeit Direktor des Pariser Observatoriums war, ging, um ihm davon zu berichten.
Aus diesen Abweichungen schloss nun Römer, dass das Licht eine endliche Geschwindigkeit haben muss, wenn die Verzögerungen vom Abstand zwischen Jupiter und der Erde abhängig sind. Je nach Position von Erde und Jupiter braucht das Licht einfach länger, bzw. wieder kürzer, um von dem Ereignis der Bedeckung von Jupiter durch seine Monde zu künden. Ja, auch Schatten breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus…
Und so formulierte er 1676 also die Hypothese, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich sein müsse.
Der von Roemer ermittelte Wert für die Geschwindigkeit des Lichtes wich nur um 30 % vom tatsächlichen Wert ab.
Sein Vorgesetzter, Cassini, stimmte zunächst zu und widersprach anschließend, weil er ein Anhänger der damals vorherrschenden Annahme einer augenblicklichen Lichtausbreitung war, die auf René Descartes zurück ging.
Cassini war eine sehr illustre und konservative Persönlichkeit, in welcher sich das alte geozentrische Weltbild, das neue von Kopernikus und so manch andere Ansichten vermischten. Er ist bei Gelegenheit mal einen eigenen Artikel wert.
Von Zahnrädern, Spiegeln und Lichtquellen
Und jetzt kommen wir zu dem in oben erwähnten Kinderbuch beschriebenen Experiment.
Der französische Physiker Armand Fizeau führte 1849 ein bahnbrechendes Experiment durch, das eine präzisere Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit ermöglichte.
1849 nahm Fizeau Messungen der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien vor. Seine erste Untersuchung galt der Lichtgeschwindigkeit in Luft, wofür er eine von Galileo Galilei erdachte Methode verfeinerte. Mit einem rotierenden Zahnrad und mit Hilfe zweier Fernrohre konnte er aus der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rads und der vom Licht zurückgelegten Strecke die Lichtgeschwindigkeit annähernd berechnen.
Ein Lichtstrahl wurde auf den Spiegel gerichtet und von dort zum rotierenden Zahnrad reflektiert. Abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des Rades konnte der zurückkehrende Strahl entweder durch eine Zahnlücke passieren oder wurde blockiert. Indem er die Rotationsgeschwindigkeit anpasste, konnte Fizeau die Geschwindigkeit des Lichts auf ungefähr 313.000 Kilometer pro Sekunde bestimmen – ein Wert, der erstaunlich nah an der heutigen akzeptierten Lichtgeschwindigkeit von etwa 299.792 Kilometer pro Sekunde liegt.
Der ermittelte Wert, der um fünf Prozent zu hoch war, wurde später von Foucault korrigiert.
Ebenfalls 1849 berechnete Fizeau mit der Methode der Spiegelrotation die Lichtgeschwindigkeit in unbewegtem Wasser, 1851 folgte die Messung in bewegtem Wasser. Anhand der Messergebnisse konnte Fizeau zeigen, dass die Lichtgeschwindigkeit in Wasser geringer ist als in Luft. Die Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Strömungsrichtung des Wassers ließ sich nicht mit dem Additionsgesetz der Geschwindigkeiten der klassischen Mechanik vereinbaren, weshalb die Fizeau’schen Messungen später von Albert Einstein als experimentum crucis (entscheidendes Experiment) für die spezielle Relativitätstheorie gewertet wurden.
Die Tatsache, dass Licht sich in verschiedenen Medien mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegt, und dass diese dann auch noch davon abhängt, ob das Medium strömt, oder in Ruhe ist, führt uns unmittelbar zu unserem nächsten Versuch.
Das Grab des Äthers
Bevor wir den besprechen, müssen wir einen kleinen Umweg über die alten Griechen nehmen. Der Zusammenhang wird bald deutlich werden.
…
Aristoteles verwarf aus einigen Gründen die Idee der Atome und des leeren Raumes.
Dass hier auf Erden leichte Gegenstände langsamer als schwere fallen, schrieb er der Tatsache zu, dass es keinen leeren Raum gäbe, ansonsten müssten in ihm alle Gegenstände gleich schnell fallen. Der hätte Augen gemacht, wenn er 1971 hätte sehen Können, wie ein Astronaut gleichzeitig eine Feder und einen Hammer aus Hüfthöhe auf den Mond fallen ließ. Beide Teile, Hammer und Feder erreichten gemeinsam die Mondoberfläche…
Aristoteles erfüllte das Vakuum mit Äther. Diesen Äther, nicht zu verwechseln mit der stark riechenden chemischen Verbindung gleichen Namens, hielt man für eine dünne, universelle Substanz, die den gesamten Raum und auch alle materiellen Körper durchdringen, die sich aber nicht messen lasse. Als Idee hielt sich der Äther bemerkenswert lange und lebte auch dann noch weiter, als der Grund entfallen war, der Aristoteles ursprünglich dazu veranlasst hatte, ihn zu postulieren.
…
Und hier schließt sich nun der Kreis zur Ausbreitung von Licht in ruhenden oder strömenden Medien. Damals war der „Äther-Glaube“ noch topp aktuell. Sollte es ihn tatsächlich geben, dann sollte sich das Licht gegen oder mit der Bewegung der Erde um sich selbst und um die Sonne mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreiten.
1887 führten die beiden Amerikanischen Physiker Michelson und Morley einen Versuch durch, der das Grab des Äthers werden sollte.
Ausgangspunkt ihres Versuches war genau die oben schon erwähnte Idee, dass wenn es einen Äther gäbe, sollte man in Bewegungsrichtung der Erde durch ihn hindurch eine Art Äther-Wind nachweisen können. Das ist dann vergleichbar mit einem Schiff, das durch das Wasser pflügt. Wellen breiten sich gegen die Fahrtrichtung des Schiffes mit weniger Geschwindigkeit aus, als in Fahrtrichtung.
Das sollte mit in den Äther einfallendem Licht nicht anders sein.
Es sollte gegen den Äther-Wind langsamer sein, als mit ihm.
Solch einen Effekt jedoch konnten die beiden Wissenschaftler nicht nachweisen. Das bedeutet, dass sich Licht mit konstanter Geschwindigkeit von 300.000 km/s durch den Raum, durch das Vakuum bewegt und dass das Vakuum letztlich nicht von einem Äther erfüllt ist.
Licht genügt das Vakuum als Medium.
Es benötigt keinen weiteren Stoff hierzu, wie beispielsweise der Schall die Luft.
Wikipedia erklärt den Versuchsaufbau in aller Kürze so:
Um die Relativgeschwindigkeit von Erde und Äther festzustellen, wurde ein Lichtstrahl über einen halbdurchlässigen Spiegel auf zwei verschiedene Wege getrennt, reflektiert und am Ende wieder zusammengeführt, sodass sich ein Interferenzmuster stehender Lichtwellen bildete (Michelson-Interferometer). Aufgrund der Bewegung der Erde im Äther ergäbe sich, dass ein Lichtstrahl in Bewegungsrichtung länger benötigt als ein Strahl senkrecht dazu. Da sich der Apparat als Teil der Drehung der Erde um die Sonne relativ zum vermuteten Äther bewegte, erwartete man Verschiebungen der Interferenzstreifen, wenn der Apparat gedreht wird. Albert A. Michelson führte das Experiment, das wegen der im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit c geringen Bahngeschwindigkeit v der Erde nicht einfach war, zuerst 1881 durch, jedoch war hier die Genauigkeit nicht ausreichend, denn Michelson hatte in seinen Berechnungen die Veränderung des Lichtweges senkrecht zur Bewegungsrichtung nicht einbezogen. 1887 wiederholten er und Edward W. Morley das Experiment mit ausreichender Genauigkeit. Obwohl das Ergebnis nicht vollständig negativ war (zwischen 5 und 8 km/s), war es nach Einschätzung von Michelson und anderen Physikern jener Zeit viel zu gering, um etwas mit dem erwarteten Ätherwind zu tun zu haben. Wenn nicht nur die Relativgeschwindigkeit der Erde zur Sonne von 30 km/s berücksichtigt wird, sondern auch die – zu Michelsons Zeit noch unbekannte – Rotationsgeschwindigkeit des Sonnensystems um das galaktische Zentrum von ca. 220 km/s und die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sonnensystem und dem Ruhesystem der kosmischen Hintergrundstrahlung von ca. 377 km/s, so wären nochmals größere Werte zu erwarten. Darüber hinaus haben spätere, bis in die heutige Zeit durchgeführte Messungen die ursprüngliche Methode Michelsons weiter verfeinert und lieferten im Rahmen der Messgenauigkeit vollständige Nullresultate.
Danke Wiki…
Irgendwie erinnert mich der Versuchsaufbau fast an den Aufbau der Messgeräte zum Nachweis von Gravitationswellen. Und die Frage, die mit diesem Versuch an das Licht gestellt wird, ist eindeutig eine Wellen-Frage. Hier ist das Licht also Welle und nicht Teilchen.
Ist das nicht schön?
Fazit
Und hier kommt noch ein kleines Fazit von mir und ChatGPT:
Wir haben erlebt, dass die Messung der Lichtgeschwindigkeit eine sehr spannende Reise durch die Physik ist. Würde man alles vertiefen, was wir hier leider nur streifen konnten, dann könnte man damit locker ein dickes Buch füllen.
Von den frühen Schätzungen und Annäherungen bis hin zu den hochpräzisen modernen Techniken hat die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit unser Verständnis des Universums und der Naturgesetze revolutioniert. Die Lichtgeschwindigkeit bleibt ein wesentlicher Bestandteil der modernen Physik und wird auch in Zukunft weiterhin eine Quelle der Inspiration für Wissenschaftler auf der ganzen Welt sein.
Und wer sich noch mehr für Licht, Interferenz, seine weiteren Eigenschaften, , Äther, und das Vakuum interessiert, dem empfehle ich meine Artikel
hiermit ist der Blindnerd aus seiner verdienten Sommerpause zurück. Ich hoffe sehr, dass auch ihr gut durch diesen heißen und trockenen Sommer gekommen seid.
Lasst uns mit einem Rätsel in das heutige Thema einsteigen.
Verharrt einen Augenblick, wenn ihr das Rätsel lösen möchtet. Gerne dürft ihr mir eure Lösung in die Kommentare schreiben.
Meister Hora stellt dem kleinen Mädchen Momo in Michael Endes gleichnamigem Roman von 1973 das folgende Rätsel, dem das gesamte Buch gewidmet ist.
Drei Brüder wohnen in einem Haus
sie sehen wahrhaftig verschieden aus,
doch willst du sie unterscheiden,
gleicht jeder den anderen beiden.
Der erste ist nicht da, er kommt erst nach Haus.
Der zweite ist nicht da, er ging schon hinaus.
Nur der dritte ist da. Der Kleinste der drei,
denn ohne ihn gäb´s nicht die anderen zwei.
Und doch gibt‘s den dritten um den es sich handelt,
nur weil sich der erst in den zweiten verwandelt.
Denn willst du ihn anschaun so siehst du nur wieder
immer einen der anderen Brüder!
Nun sage mir sind die drei vielleicht einer?
Oder sind es nur zwei? Oder ist es gar – keiner?
Und kannst du, mein Kind, ihre Namen mir nennen
so wirst du drei mächtige Herrscher erkennen.
Sie regieren gemeinsam ein großes Reich
und sind es auch selbst! Darin sind sie gleich.
So, nun haben sicher einige von euch das Thema dieses Artikels erraten. Ich dachte mir, nach Sommerpause, Urlaub und „Auszeit“, die ich mir genommen hatte, könnten wir uns doch mal über das Wesen der Zeit auslassen.
Der Anfang von Raum und Zeit
Was wir heute über die Zeit wissen ist, dass Zeit und Raum mit dem Urknall vor 14 Milliarden Jahren ihren Anfang genommen haben. Was vor dem Urknall war, kann man kaum erfragen, weil es weder den Raum gegeben hat, in welchen sich das Universum hinein ausgedehnt haben könnte, noch die Zeit, in welcher derlei hätte ablaufen können. Ich weiß, das können wir Menschen uns so nicht vorstellen. Was sich die Menschheit aber schon immer gefragt hat ist, was die Zeit tatsächlich ist. Ich bin mir an dieser Stelle nicht ganz sicher, ob wir hier nicht eher mehr Fragen aufwerfen, als Antworten zu geben, aber versuchen wir es dennoch.
Jeder kennt das. Der Wecker klingelt, und wir starten in den Tag. Von da an planen wir unseren Tag im wesentlichen mit einem Hilfsmittel, der Uhr. Man hört oft, dass Uhren Zeitmesser seien. Aber was messen diese Dinger denn wirklich? Sie messen Veränderung, nicht die Zeit, sondern nur Einheiten, die wir selbst einmal festgelegt haben. Dass die Zeit scheinbar vergeht, haben schon die ersten Menschen auf diesem Planeten erlebt. Da ist der Tag und die Nacht. dieser Kreislauf regelt unsere Arbeitszeit, wann wir essen, schlafen, lieben und vieles mehr. Eine weitere Beobachtung dürfte der Mond gewesen sein, der die Woche anzeigt. Ein ganz wichtiger Taktgeber war und ist natürlich der Lauf der Erde um die Sonne, zumal dieser ja gemeinsam mit der schief stehenden Erdachse die Jahreszeiten vorgibt. Es war wichtig zu wissen, wann Aussaht, und wann Ernte ist. Natürlich merkte man schon sehr bald, dass auch die Sternenuhr in der Nacht zur zeitlichen und auch räumlichen Orientierung zuverlässig verwendet werden kann.
Zeit erleben und die Philosophie
Schon Aristoteles dachte über das Wesen der Zeit nach.
beim alten Aristoteles finden sich Bewegung und Veränderung im Begriff der Kinesis. Nach ihm ist alles seiende bewegt. Daraus folgerte er, dass es den ersten Beweger geben müsse,
der selbst nicht bewegt wird. Das ist quasi Gott.
Platon, dessen Schüler er war, ging noch davon aus, dass es diesen Gott nicht gibt. Das war also die Veränderung von der Lehre des Seins, hin zur Lehre von Gott.
Galilei und Newton gingen von einer absoluten Zeit aus.
Sie ging zumindest als vergangene oder zu erwartende Zeitspannen als Variable in ihre mathematischen Formeln ein. Hierbei spielten schwingende Pendel und Fallzeiten von Gegenständen eine wichtige Rolle.
Die Zeit hat nur eine Richtung. Sie fließt für uns aus der Zukunft, über die Gegenwart in die Vergangenheit. Die Zeit können wir scheinbar nicht beeinflussen. Außerdem erleben wir ihren Verlauf manchmal als unheimlich rasch, wenn wir gerade etwas schönes erleben, und als sehr langsam, wenn wir uns langweilen. Das ist aber eine innere Empfindung, denn unsere Taktgeber, z. B. Uhren beeindruckt es herzlich wenig, wie wir die Zeit gerade empfinden. Wir merken schon, dass die Betrachtung des Wesens der Zeit, nicht nur eine naturwissenschaftliche, sondern auch eine philosophische Frage sein kann. Wieso vergeht die Zeit überhaupt auch dann, wenn wir nicht auf die Uhr schauen. Wir erleben die Zeit stets als absolut und unbeeinflussbar. Auch ohne Uhr nehmen wir sie wahr, weil sich immer etwas verändert.
Nicht zuletzt erleben wir, wie rasch unsere Kinder groß werden und wir selbst altern.
Selbst unser Atem ist ein Taktgeber. Ein Philosoph sagte einmal, dass man niemals zwei mal in den selben Fluss steigen kann, weil das Wasser in ihm ja schon weiter geflossen ist.
Wir können den Lauf der Zeit letztlich nur deshalb erleben, weil wir uns erinnern können. wir können den aktuellen Moment der Gegenwart mit dem vergleichen, was wir noch aus der Vergangenheit wissen. Und durch unsere Uhren und Kalender wissen wir dann sogar, wie lange etwas her ist, bzw. wie lange etwas gedauert hat, bis es so war, wie in diesem Augenblick. Was vergangen ist, können wir nur noch im Nachgang betrachten.
Tröstlich daran ist, dass wir uns an schönen Dingen der Vergangenheit erwärmen können. Andererseits dürfen wir ob dieser Fähigkeit aus Fehlern lernen.
Was unsere Zukunft betrifft, so können wir sie wenigstens in gewissem Umfang planen, indem wir uns überlegen,was wir tun, wie wir leben wollen, etc. Dafür vergeben wir Zeit, die erst noch kommt.
Zukunftsplanung hat also auch nichts mit der Beeinflussung der Zeit an sich zu tun. Zum einen kommt erstens alles anders, und zweitens als man denkt, und zum anderen planen wir unbewusst aus der Gewissheit heraus, dass die Zeit mit ihrer fließenden Eigenschaft sich nie verändert.
Wir sehen also, dass Veränderungen und Bewegungen absolut entscheidend für den Lauf der Zeit sind.
Zeitmesser
eine Uhr besteht im wesentlichen aus einem Taktgeber und einem Zähler.
Bei Sand-, Öl- oder Wasseruhren läuft eine bestimmte Menge des Mediums von einem Behälter in einen anderen. Diese Uhren treibt die Erdanziehung an. Sie bleiben stehen, wenn der obere Behälter leer ist.
Bei der Pendeluhr gibt das Pendel durch seine Länge den Takt an.
Das Pendel möchte stets fallen, weil es von der Erde angezogen wird. Damit das nicht irgendwann aufhört, muss bei jeder Bewegung wieder etwas Energie in das System gepumpt werden. Das geschieht bei jedem „Tick“ und jedem „Tack“ entweder durch die aufgezogene Feder oder das Gewicht an der Kette, die sich langsam abspuhlt. Ist die Feder dann abgelaufen, bzw. kommt das Gewicht am Boden an, dann pendelt das Pendel aus und stoppt irgendwann, weil es beim Pendel stets etwas Energie verliert.
Bei Uhren mit Unruhen wird die Gravitation durch eine Rückstellfeder ersetzt. Aber auch hier wird entweder durch eine Feder, oder heute durch eine Batterie das System in Bewegung gehalten.
Bei Digitaluhren gibt ein Quarz die Schwingung vor, und sie verbrauchen daher auch Strom.
Bei sehr genauen Atomuhren nützt man aus, dass sich Energieniveaus von Elektronen genau bekannt ändern. Auch sie benötigen Energie von außen.
Zeitmessung
Zeitintervalle werden stets im Bezug zu einer Startzeit gemessen. Dieser Startpunkt ist natürlich beliebig. So zählen wir Christen unsere Jahre beginnend mit der Geburt Jesu, was gar nicht so einfach ist, da es Probleme bei der Überlieferung und bei der Umrechnung in diverse Kalender und Zahlensysteme gab. Außerdem gab es in dieser Epoche noch keine genauen Uhren.
So genau unsere Kalender und Uhren auch sein mögen. Immer wieder müssen wir unsere Zeitmessung der Realität anpassen, wenn wir nicht wollen, dass Weihnachten bei uns irgendwann im Sommer stattfindet, bzw. dass Früchte zeittechnisch gesehen im Winter reifen, obwohl real gar kein Winter herrscht. Das erledigen wir mit einem recht umfangreichen Regelwerk des gregorianischen Kalenders. Der gibt uns vor, wann Schalttage einzufügen sind. Die Neuzeit hat sogar die Einführung von Schaltsekunden nötig gemacht, weil z. B. schon alleine durch die Vernetzung der Welt es einen Takt geben muss, der z. B. unsere Datenströme durch das Internet regelt.
In Deutschland residieren die „Herren“ der Zeit in der physikalischen-technischen Bundesanstalt (PTB in Braunschweig und Berlin.
Sie überwachen die Zeit mit Atomuhren, den genauesten Uhren der Welt. Aber auch diesem Institut gleitet die Zeit gewissermaßen durch die Finger.
Der Zeitbegriff in der Physik
Will man sich physikalisch dem Wesen der Zeit annähern, dann betrachtet man diese am besten als zusätzliche Dimension zu unserem bekannten dreidimensionalen Raum (Länge, Breite, Höhe). In den drei Raumdimensionen können wir uns nach belieben Bewegen; nach links, rechts, vor, zurück, nach oben und schließlich noch nach unten. In der Zeit-Dimension können wir unsere Bewegung weder in Geschwindigkeit noch Richtung beeinflussen. Noch schlimmer. Die Richtung der Zeit weist stets in die Vergangenheit. Warum können wir in allen drei Raumdimensionen reisen, wie wir wollen, nicht aber in der Zeit. Rückwärts, also in die Vergangenheit reisen geht scheinbar nur bedingt. Wenn Archäologen einen alten Stein oder Dino ausgraben wissen sie, dass er sehr alt ist. Sie können aber das Objekt durchaus ausgraben und mitnehmen. Was sie nicht können ist, die Zeit, die in diesem Objekt irgendwie gespeichert ist, vergessen machen. Somit ist die Reise in die Vergangenheit nur so lange möglich, wie wir Fußspuren vergangener Tage, Jahre und Zeiten noch anschauen dürfen und können. Würden wir selbst in die Vergangenheit reisen, dann könnte es in der Tat zu einer Katastrophe werden. Wir könnten uns selbst dabei begegnen, wie wir gerade einen Mist in unserer Jugend bauen, hinter dem wir heute nicht mehr stehen würden. Wir könnten viellicht einen unserer Ahnen durch einen Krieg oder Unfall töten, so dass unsere Linie absolut abreisen würde, weil wir überhaupt nicht mehr auf die Welt kommen könnten. Das geht also nicht. Wenn wir in die Vergangenheit blicken, können wir darin nichts mehr wesentliches verändern, ohne, dass es Folgen für uns hätte.
In die Zukunft können wir nicht reisen, weil es die zum Startpunkt unserer Reise einfach noch nicht gibt. Wo sollten wir da hin?
Wenn wir im Einsteinschen Sinne uns mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, und unsere Zeit bei unserer Rückkehr langsamer vergangen ist, dann liegt das eben an den Eigenschaften der Raumzeit, also daran, dass die Zeit auch eine Dimension im Raume hat. Außerdem spielt hier Energie, Masse und Gravitation noch eine erhebliche Rolle, auf die wir hier nicht weiter eingehen können, ohne unüberwindlich komplizierte Mathematik zu überwinden.
Was wir also in einem rückwärts laufendenFilm sehen, entspricht eben nicht dem logischen Ablauf der Natur. Vor dem Milchkaffee muss die Milch erst aus der Tüte in den Kaffee fließen.
Vor einem Scherbenhaufen am Boden muss die ganze Tasse erst mal fallen.
Es sieht so aus, als würde der logische Ablauf, der einem Prozess in der Natur inne wohnt, gewissermaßen die Richtung in der Zeit angeben,
Die Zeit scheint also das zu sein, was die logische Reihenfolge dessen ablaufen lässt, was nacheinander zu geschehen hat.
Das Prinzip, dass hier zugrunde liegt, nennt man Ursache und Wirkung. In der Natur muss zuerst die Ursache und dann die Wirkung erfolgen. Es muss allso erst mal eine Art „Wille“ oder ein Ereigniss stattfinden, das man nachher durch seine Ergebnisse und Wirkungen erforschen kann. Einen Unfall mit Autos nimmt man erst dann wahr, wenn die Dinger ineinander gefahren sind. Eine von Lava verschüttete Stadt wird nur dann offenbar, wenn tatsächlich ein Vulkan ausgebrochen ist. Überflutungen gibt es nur dort, wo tatsächlich viel zu viel Wasser geregnet ist.
Dieses Prinzip nennt man wissenschaftlich die Kausalität.
Ein rückwärts ablaufender Film lässt die Vorgänge akausal erscheinen. Mit diesen gefundenen Tatsachen kommen wir dem Zeitpfeil schon näher.
Die Schwester der Zeit
Es gibt Messgrößen in der Physik, an welchen sich ablesen lässt, ob ein Vorgang kausal, also erlaubt, oder akausal, verboten abläuft.
Diese finden sich in der Thermodynamik.
Die entstammte ursprünglich aus der Zeit der Dampfmaschine. Man wollte den Prozess, der heißen Dampf letztlich in Bewegungsenergie umwandelt mathematisch und physikalisch beschreiben. Wir kratzen aber hier nur die Oberfläche dieser physikalischen Lehre.
Mit dieser lässt sich das Verhalten von Teilchen in Prozessen beschreiben. Eine ganz wichtige Größe ist hier die Entropie. Sie drückt aus, wie groß die Unordnung eines Systems ist. Die unversehrte Tasse auf dem Tisch ist weniger in Unordnung als die zerbrochene auf dem Boden. Der gut durchmischte Milchkaffee weißt eine deutlich höhere Unordnung aus, als der schwarze Kaffee für sich und die weiße Milch in ihrem Beutel. Der zweite Hauptsatz dieser Thermodynamik zementiert quasi die Richtung unseres „Zeitpfeils“. Er besagt, dass die Entropie eines Systems entweder gleich bleibt, z. B. wenn die Durchmischung unseres Milchkaffees maximal gut ist, oder sie nimmt zu. Somit streben Prozesse stets die maximale Entropie an.
Machen wir noch ein Beispiel. Stellen wir uns vor, wir haben eine Packung Klemmbausteine.
Diese schütten wir erst mal auf den Teppich, um nachher etwas damit zu bauen. Jetzt kann man den Haufen fotografieren, und ihn als Zustand I bezeichnen. Die Entropie im Haufen ist sehr hoch, weil alle Bausteine durcheinander liegen. Nun rühren wir den Haufen mit unseren Händen durch und machen ein weiteres Bild, den Zustand II. Nun dürfte es sehr schwer fallen, die beiden Bilder voneinander zu unterscheiden. Dass die Bausteine unterschiedlich farbig oder vielleicht manche sogar markant geformt sind, spielt erst mal keine rolle und wird vernachlässigt. Ebenso beachten wir in diesen Betrachtungen nicht, dass sehr wahrscheinlich verschiedene Bausteine unterschiedlich oft in der Packung vorhanden sind. Es ist also aus physikalischer Sicht kaum entscheidbar, ob die Entropie bei Zustand I oder II höher ist. Nun werden wir kreativ und bauen aus unserem bunten Haufen z. B. ein schönes ansehnliches Kunstwerk. Wie sieht es denn jetzt mit unserer Unordnung oder Entropie aus. Kein Zweifel. Die Unordnung muss niedriger sein, denn jetzt sitzt jeder Stein nach unserer Vorgabe ordentlich an seinem Platz, um seine Aufgabe in dem Bauwerk zu erfüllen. Manche bilden, z. B. dann, wenn es sich bei unserem Werk um ein Haus handelt die Mauern und Wände, andere das Dach, und es gibt vielleicht sogar Orte im Bauwerk, wo überhaupt keine Steine sitzen, z. B. bei den Innenräumen unseres Hauses…
Die große Frage
Steht das aber nun nicht im Widerspruch des oben beschriebenen zweiten Satzes der Thermodynamik, nachdem die Entropie, also die Unordnung in einem System entweder nur zunehmen oder gleich bleiben darf? Wir erinnern uns, dass die Entropie, die Unordnung, also das Durcheinander der Bausteine in unserem Kunstwerk deutlich geringer ist, als im Haufen zuvor. Zum Glück gibt es diesen Widerspruch nicht. Wir haben Energie in das Bauwerk gesteckt, indem wir unter dem Einsatz unseres Körpers Kraft investierten, um die Steinchen nach unseren Wünschen aufeinander zu pressen, um unser Werk entstehen zu lassen. Dadurch haben wir unseren Haufen in einen neuen Zustand gezwungen, in das System unseres Bauwerkes. Vor allem Kinder haben oft Freude daran, die Entropie wieder zu erhöhen, indem sie das Bauwerk zu Boden werfen, um wieder den Haufen entstehen zu lassen. Das kennen wir im Leben. Meistens ist es einfacher und geht schneller, etwas zu zerstören, als es zu reparieren oder gar neu aufzubauen.
Halten wir an dieser Stelle fest, dass obiger Lehrsatz nicht besagt, dass die Entropie niemals geringer werden kann. Er besagt lediglich, dass das in der Natur als ganzes nicht ohne äußeren Einfluss geschehen kann. Und das heißt nicht, dass beispielsweise Atome und Moleküle sich mal zu Sternen, Planeten, Pflanzen etc. formieren können. Derlei benötigt stets Energie in irgend einer Form. Der Satz gilt also nur dann, wenn ein System sich ohne äußere Einflüsse überlassen bleibt.
Und was hat das nun mit der Zeit und ihrer Richtung zu tun? Genau. Neben Kraft benötigen wir auch die Zeitspanne, die es dauert, unser Werk zu vollenden. Diese Zeit wäre auch so vergangen, wenn wir beispielsweise untätig vor unserem Haufen sitzen geblieben wären. Wie man das auch betrachtet. Wir erkennen an diesem Beispiel, dass der Zeitpfeil stets von der Zukunft in die Vergangenheit zeigt. Unser Haufen hätte sich nicht verändert, wenn wir nichts gemacht hätten. Er würde vielleicht mit der Zeit einstauben, wenn wir lange genug warten würden. Die Erde aber hätte sich beispielsweise weiter gedreht. Unsere Uhren wären ebenfalls weiter gelaufen, wir hätten geatmet, unser Herz geschlagen und es gäbe da noch viel, woran man den Zeitpfeil unabhängig von unserem unberührten Haufen hätte ablesen können.
Somit ist die Entropie in gewissem Sinne die Schwester der Zeit, da sie nur zunehmen kann.
Es gibt nichts, das sich verändert, ohne, dass man eine Zeitspanne messen könnte, in welcher das beobachtete geschieht. Selbst unser Spiegelbild ist stets schon wenige Nanosekunden alt, wenn wir dessen gewahr werden. Der Informationsträger unseres Spiegelbildes ist das Licht. Und dass sich dieses mit der Geschwindigkeit von 300000 Kilometern pro Sekunde bewegt, haben wir an anderer Stelle schon ausführlich behandelt. Wir wissen, dass wir in unserem Universum oft Licht erhalten, das schon viele Millionen oder mehr Jahre unterwegs war, bis es in unsere Augen oder Messinstrumente fällt. Es gibt gedankliche Experimente und Theorien, die sich fragen, ob sich der Zeitpfeil umkehren würde, wenn wir ein Universum hätten, das sich irgendwann wieder zusammen zieht. Ich denke das nicht, denn die Zeit ist keine räumliche Dimension. Sie ist ein Vektor, der einfach stets von der Zukunft in die Vergangenheit weist. Egal, was passiert. Erinnern wir uns an den Film der rückwärts läuft. Es dauert dieselbe Zeitspanne, egal, ob wir den Film vorwärts oder rückwärts laufen lassen. Es ist halt nur ein Film und nicht die Wirklichkeit.
Im Grunde messen wir niemals Zeit, sondern nur Veränderung. Das betrifft selbstverständlich auch die Zeiger unserer Uhren, die ihre Richtung ändern. Die Skalen, in welcher wir Zeit einteilen, sind beliebig. Und jetzt mag mancher an Einstein und daran denken, dass die Zeit für den Astronauten, der mit Lichtgeschwindigkeit reist, langsamer verstreicht, als für uns. Das tut sie nicht, weil Zeit überhaupt nicht in dem Sinne verstreicht. Das ist eine Frage des Beobachters und des Bezugsystems, in welchem sich der Astronaut im Flug aufhält.
Mit diesem verrückten Schlussgedanken machen wir aber hier mal fertig. Ansonsten artet das noch aus…
meine lieben,
nun ist aus dieser Geschichte mit dem Foto fast schon eine Serie geworden. Ich lege dafür aber keine neue an, sondern schlage diese Artikel der Kategorie Den Schwarzen Löchern entgegen zu.
Heute geht es um die faszinierende Kamera und die Technik an sich, wie man zu solchen Fotos kommt.
Wer den vorigen Artikel noch nicht gelesen hat, sollte dies eventuell tun, denn ich werde dessen Inhalte an dieser Stelle nicht mehr wiederholen.
Qualität eines Bildes
Im Zusammenhang mit allem, was mit Bildverarbeitung zu tun hat, ob Kamera, Bildschirm oder Drucker, fällt dieser Begriff irgendwann. Je nach dem verwendet man dafür unterschiedliche Maßeinheiten, z. B. „Dots per Inch“ oder „Megapixel“. Wie man das Ding auch immer bezeichnet. Es handelt sich immer um ein Maß für Bildpunkte pro Fläche. Bildpunkte pro Fläche impliziert schon fast, dass es zwischen diesen eventuell blinde Stellen geben könnte, also Löcher. Dem ist auch so. da setzt einem jegliche Technologie schon Grenzen verschiedenster Art. Jedes noch so kleine Bauteil hat eine Ausdehnung. Die lichtempfindlichen Zellen unserer Netzhaut ebenfalls. Man kann also mit einem bildgebenden Verfahren nur Objekte aufnehmen, die größer sind, als die Zwischenräume (Pixel) des Aufnahmesystems. Das gilt vom mikroskopisch kleinsten, bis hin zum astronomisch größten, wie wir noch sehen werden.
Die Qualität eines Bildes hängt also sehr stark von der Auflösung ab.
Auflösung im Alltag
Stellen wir uns zwei brennende Kerzen vor, die wenige Zentimeter voneinander auf einem Tisch stehen. Stehen wir direkt davor, bzw. befinden wir uns im selben Raum, dann können wir sehen, dass es zwei Kerzenflammen sind. Wir können das Bild auflösen. Sehen wir die beiden Kerzen aus großer Entfernung, dann sehen wir irgendwann nur noch einen hellen Punkt. Wir können nicht mehr auflösen. Ein Wald verschwimmt in großer Entfernung zu einer braun-grünen Masse, wo wir keine einzelnen Bäume mehr voneinander unterscheiden können.
Oder nehmen wir unseren Mond.
Der ist knapp 400.000 Kilometer von der Erde entfernt. Wenn wir ihn ohne technische Hilfsmittel betrachten, dann sehen wir natürlich ein paar Details. Wir sehen helle und dunkle Flecken. Aber wir können keine Krater auf seiner Oberfläche sehen, obwohl die natürlich da sind. Dafür reicht aber das Auflösungsvermögen nicht. Alles was kleiner als 130 Kilometer ist, geht im Bild unserer Augen unter.
Wir können uns dem Mond nähern, dann wird es besser. Wenn wir mit einem Raumschiff dorthin fliegen, sehen wir irgendwann alle Details. Aber wir können auch einfach bessere Augen benutzen. Und das müssen wir auch, wenn wir Objekte ablichten wollen, zu denen man niemals gelangen kann, weil sie Millionen von Lichtjahren von uns entfernt sind. Im Falle unseres Mondes reicht schon ein normales Fernglas aus, um mehr Details zu erkennen.
Lichteimer
Das Auflösungsvermögen eines Instrumentes hängt mittelbar von seiner Größe ab. So kann beispielsweise ein großes Teleskop einfach mehr licht sammeln, als ein kleines Fernröhrchen.
So spricht man bei Teleskopen meist von Metern Durchmesser. Damit ist meist die Größe des Hauptspiegels oder der Hauptantenne gemeint. „OK“, mag man denken. „Dann bauen wir die Dinger halt immer größer. Das geht natürlich nicht. Die Spiegel würden zu schwer und würden sich unter ihrer Masse verbiegen. Man stößt hier technisch relativ bald an Grenzen.
So um 200 m Durchmesser dürfte hier Schluss sein.
Oft sogar schon früher, weil es an der Finanzierung der Forschungsförderung scheitert.
Im nächsten Schritt erhöht man die Auflösung, indem man einfach mehrere Teleskope nebeneinander oder in einem Feld aufstellt. Die Bilder dieser Lichteimer kann man noch relativ einfach zu einem Bild vereinen. Und ja, ihr habt Recht. Das ist dann ein Teleskop mit Löchern. Das ist aber kein Problem, denn man kennt ja die Abstände zwischen den Teleskopen, und auf die Entfernung der beobachteten Objekte wirken sich die Löcher nicht aus.
Diese Technik funktioniert aber auch nur, wenn die Teleskope nicht zu weit voneinander entfernt stehen, weil sich zum einen die Erde dreht, aber vor allem, weil die Lichtgeschwindigkeit bei der Bildgewinnung irgendwann zuschlägt.
Will man also nun ein Objekt beobachten, so kann man über dessen Abstand und Entfernung berechnen, wie hoch die Auflösung unseres Instrumentes mindestens sein muss, um die Aufgabe erfolgreich zu lösen.
Das nächstgelegene große schwarze Loch ist Sagittarius-A*, das supermassereiche schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße. 26.500 Lichtjahre weit weg und circa 22 Millionen Kilometer im Durchmesser. Um das auflösen zu können braucht man ein Teleskop mit einem Durchmesser von fast 10.000 Kilometern. Das schwarze Loch im Zentrum der Galaxie Messier 87, von dem im Frühjahr 2019 das erste Bild gemacht werden konnte ist 54 Millionen Lichtjahre weit weg aber mit einem Durchmesser von 40 Milliarden Kilometern auch viel größer. Auch hier ist ein Teleskop von fast 10.000 Kilometer nötig um es sehen zu können.
Das können wir nicht bauen. Und wenn doch, hätten wir keinen Platz, es irgendwo aufzustellen.
Das Zauberwort an dieser Stelle heißt Very Long Baseline Interferometry.
Und was ist das?
Dieses Verfahren nützt tatsächlich aus, dass es nicht unbedingt sein muss, dass ein Teleskop mit hoher Auflösung aus einem durchgängigen Spiegel bestehen muss. Es darf, ja es muss sogar für diese Technik „Löcher“ haben.
Nun muss man einen Weg finden, wie man weit entfernte Teleskope so zusammenschaltet, dass sie sich tatsächlich wie eines verhalten. Und genau diese Aufgabe löst die Very Long Baseline Interferometry.
Man nutzt hier die Eigenschaft des Lichtes aus, dass es sich beispielsweise bei einem Doppelspaltversuch wie eine Wälle und nicht wie Teilchen verhält. Ich schrieb darüber in Station sechs der Reise zu den schwarzen Löchern, wo es um die Eigenschaften des Lichtes ging.
Die Spalten in Analogie zum dort beschriebenen Wellenversuch stellen verschiedene weit entfernte Teleskope dar, von denen jedes für sich sein eigenes Lichtmuster sammelt.
Zunächst schaut also jedes Teleskop für sich alleine zum Himmel. Aber natürlich beide zur gleichen Zeit auf den gleichen Punkt. Jedes sammelt Licht und genau dieses Licht wird nun kombiniert und zwar in einem “Interferometer”. Dort wird das Licht überlagert und es interferiert. Wenn man sich Licht als Welle vorstellt, und zwei dieser Wellen überlagert, dann können sich die Wellen verstärken und zwar dort, wo zwei Wellenberge aufeinander treffen. Aber auch auslöschen, wenn Wellenberg und Wellental aufeinander treffen. Das Interferenzsignal besteht also aus einer Abfolge von hellen und dunklen Bereichen. Helle und dunkle Streifen sind aber nicht das, was man von schönen bunten Bildern aus der Astronomie gewohnt ist.
Aber mit ein bisschen Arbeit und sehr viel Mathematik kann man aus dem Interferenzmuster jede Menge Informationen bekommen.
Zum einen braucht das Licht unterschiedlich lange um die einzelnen Teleskope zu erreichen, je nachdem wie weit sie voneinander entfernt sind. Aus diesem Unterschied in der Laufzeit kann man schon einige Rückschlüsse auf die Struktur der Lichtquelle ziehen. Man wird aber auch ein unterschiedliches Streifenmuster bekommen, je nachdem wie weit die Teleskope voneinander entfernt sind.
Je weiter die Teleskope auseinander stehen und vor allem je mehr unterschiedliche Distanzen man benutzt, desto besser funktioniert das Verfahren. Bei der VLBI stellt man also möglichst viele Teleskope möglichst weit verteilt auf der ganzen Erde auf und kombiniert deren Daten.
Das geht allerdings nicht mit normalen Teleskopen. Also nicht mit Teleskopen die im sichtbaren Licht arbeiten. Licht kann man nicht speichern; man kann es höchstens über Glasfaserkabel kurze Strecken weiterleiten und zur Interferenz bringen. Das geht mit Abständen von ein paar Dutzend bis hundert Metern. Aber nicht über viele 1000 Kilometer. Dazu braucht man Radioteleskope. Das langwellige Radiolicht aus dem All kann aufgezeichnet und sehr exakt mit Zeitstempeln versehen werden. Die ganzen Daten aller Teleskope werden dann gesammelt und quasi nochmal in einer Art Playback zusammen abgespielt und virtuell zur Interferenz gebracht werden.
Außerdem durchdringen Radiowellen auch Staub- und Gaswolken, die sich zwischen den Teleskopen und dem beobachteten Objekt befinden. Radioteleskope funktionieren quasi bei jedem Wetter. Lichtteleskope scheitern schon bei bewölktem Himmel.
Zum Glück entsteht in der Umgebung eines schwarzen Lochs auch jede Menge Radiostrahlung und deswegen konnte ein Verbund aus neun auf der ganzen Welt verteilten Radioteleskope die Bilder beider schwarzen Löcher, M87 und SGTA* machen.
Diesem Teleskop-Verbund gab man den Namen „Event Horizon Telescope“, zu Deutsch „Ereignis-Horizont-Teleskop“.
Man denkt schon darüber nach, die “Löcher” im Teleskop noch größer zu machen um das Auflösungsvermögen noch weiter zu erhöhen. In Zukunft sollen auch Radioteleskope im All in den Verbund eingegliedert werden. Dann hätten wir Teleskope die ein paar hunderttausend Kilometer groß sind.
Was wir dann damit entdecken, steht noch „in den Sternen“.
Quellen
nun möchte ich euch zum vorläufigen Schluss dieser kleinen Serie über die ersten Fotos von schwarzen Löchern noch einige Quellen zeigen. Das sind richtige Juwelen im Podcast-Universum. Hört mal rein. Ich garantiere euch sehr viele Stunden höchsten Hörgenusses.
Selbstverständlich beginne auch ich meine Reisen in das Universum bei Wikipedia. Dort findet ihr alles über das Event-Horizon-Telescope. Dazu bitte hier lang.
In Folge 334 geht Florian Freistetter auf die Galaxie ein, aus von deren schwarzen Loch das erste Foto stammte.
In Folge 357 der #Sternengeschichten beschreibt Florian Freistetter sehr schön, wie man schwarze Löcher sehen kann.
Und in Folge 385 erklärt uns Florian die Long Base line Interferometrie.
Endlich kommt mal eine Frau ins Spiel. In Folge 52 erzählt die Astronomin Rut Grützbauch im Podcast Das-Universum, den sie gemeinsam mit Florian macht, was es für Überraschungen im schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße gibt. Von ihr darf ich euch ihr erstes Buch „Per Lastenrad durch die Galaxis“ wärmstens ans Herz legen. Es gibt es sogar von ihr selbst als Hörbuch aufgelesen.
Abschließen möchte ich diese Übersicht mit Folge 65 des Podcasts „Auf Distanz“. Dort durfte ich in Folge 17 zu Gast sein. Dieser Podcasts enthält sehr häufig spannende Interviews mit Wissenschaftlern, Weltraumingenieuren oder gar Astronauten.
ich höre förmlich den Aufschrei der zumindest bei denen umgeht, die meine lange Serie zu den schwarzen Löchern gelesen haben, wenn sie diese Überschrift lesen. Und dieser Aufschrei ist durchaus berechtigt. Nein!!!
man kann ein schwarzes Loch nicht sehen, weil es eben schwarz ist. Nicht mal die beiden Fotos zweier schwarzer Löcher, die ich im vorigen Artikel versuchte taktil zu beschreiben, zeigen die beiden Löcher direkt. Wer nochmal nachlesen möchte, was ein schwarzes Loch eigentlich ist, sei an Folge zehn meiner Serie „Die Reise zu den schwarzen Löchern“ erinnert. Ein Abschnitt stellt auch verschiedene Verfahren vor, wie sich diese Gravitationsmonster manchmal doch verraten und indirekt nachweisen lassen.
Auch das erste Foto wird dort schon erwähnt. Das aus unserer Milchstraße war noch nicht fertig.
Wir erinnern uns an den Begriff des Ereignishorizontes. Das ist der Bereich um ein schwarzes Loch herum, ab dessen Radius die Gravitation so stark wird, dass ihm nicht mal mehr das Licht entkommen kann.
Von außen betrachtet “sehen” wir also vorerst nur eine schwarze Kugel, die aber keine echte Kugel ist sondern nur eine Region im Raum um das schwarze Loch herum aus der keinerlei Licht mehr nach außen dringen kann. Und wir sehen die schwarze Kugel natürlich auch nicht, weil es da nichts zu sehen gibt. Wenn das schon alles wäre, könnten wir ein schwarzes Loch tatsächlich nicht sehen, geschweige denn ein Foto davon anfertigen.
Zum Glück gibt es hier ein großes Aber:
Schwarze Löcher, vor allem die gigantisch großen, die sich in den Zentren der Galaxien befinden, sind nicht einfach isoliert im All. Es gibt ja noch jede Menge anderes Material und gerade in den Zentren der Galaxien ist diese Materie besonders häufig und dicht. Da stehen die Sterne eng nebeneinander. Sie schleudern Gas und Staub hinaus ins All. Es gibt Gas- und Staubwolken zwischen den Sternen. All das bewegt sich um das schwarze Loch rundherum. Und kann auch ins schwarze Loch unwiederruflich hinein fallen. Was hinter den Ereignishorizont fällt, ist für immer verloren.
Bevor es das tut, spiralisiert es aber um das schwarze Loch herum.
Das ganze Material bildet eine große Scheibe um den Ereignishorizont und während es bei seiner Bewegung immer stärker beschleunigt wird, heizt es sich auch immer stärker auf, und beginnt zu leuchten!
Das Material um den Ereignishorizont herum ist also alles andere als unsichtbar! Es leuchtet hell, vor allem auch in den Bereichen des Lichts das für unsere Augen nicht sichtbar ist. Es gibt zum Beispiel Röntgenstrahlung oder Radiowellen ab.
Das schwarze Loch in unserer Galaxis verriet sich zunächst dadurch, dass man Sterne in seiner unmittelbaren Umgebung beobachtete. Sie umkreisen sehr schnell etwas unsichtbares, das eine Masse von etwa 4 Millionen Sonnen besitzen muss. Das Loch in M87 fand man aufgrund seiner Aktivität. Es leuchtet sehr hell und ist sehr aktiv. Man sah aber zunächst nicht mehr, als einen hellen verwaschenen Fleck. Die Auflösung der verfügbaren Teleskope war nicht hoch genug.
Es sollte eine Masse von etwa sechs Milliarden Sonnen in sich vereinigen.
Das Auflösungsvermögen sagt uns, wie nahe zwei Objekte nebeneinander stehen können so dass wir sie noch als zwei einzelne Objekte erkennen können. Wenn man zum Beispiel aus der Ferne auf einen Wald blickt, sieht man dort nur eine undefinierte grün-braune Masse. Benutzt man aber ein Fernglas, das ja ein deutlich besseres Auflösungsvermögen als unser Auge hat, dann erkennt man auf einmal einzelne Bäume. Genau so ist es auch bei den schwarzen Löchern. Wenn mir mit unseren bisherigen Teleskopen auf die Zentren der Galaxien schauten, konnten wir nur große, helle Flecken sehen. Irgendwo im Zentrum dieser hellen Flecken muss aber auch ein dunkler Fleck sein. Irgendwo dort muss der Ereignishorizont sein, die Region aus der kein Licht mehr zu uns kommen kann. Um DAS zu beobachten muss das Auflösungsvermögen groß genug sein. Was es aber lange Zeit nicht wahr.
Man mache sich klar:
Die Galaxie Messier 87 ist 54 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Der Ereignishorizont des schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie hat einen Durchmesser von 18 Milliarden Kilometern (das entspricht dem 120fachen Abstand zwischen Erde und Sonne). Das ist groß. Sehr groß. Drückten wir unsere Sonne zu einem schwarzen Loch zusammen, so hätte sie lediglich einen Durchmesser von sechs Kilometern.
Das schwarze Loch ist aber auch sehr, sehr weit weg. In der Astronomie benutzt man in solchen Fällen die Einheit des Bogenmaß um die Größe zu beschreiben. Man bestimmt also, unter welchem Winkel uns ein Objekt am Himmel erscheint. Ein Kreis um den gesamten Himmel herum hat dabei 360 Grad. Jedes Grad hat 60 Bogenminuten, jede Bogenminute 60 Bogensekunden. Der Vollmond zum Beispiel hat eine Größe von 30 Bogenminuten, überdeckt also ein halbes Grad des kompletten Kreises am Himmel. Oder anders gesagt: Man bräuchte 720 Vollmonde wenn man den Horizont einmal komplett rundherum füllen wollte.
Der Ereignishorizont des schwarzen Lochs von Messier 87 hat eine Größe von 40 Mikrobogensekunden. Das entspricht ungefähr der Größe einer Orange, die auf dem Mond liegt und die wir von der Erde aus beobachten wollen. Das ist nicht möglich, auch nicht mit den besten Teleskopen die wir haben. Wir müssen entweder näher ran. Das ist beim Mond noch einfach; da sind wir ja immerhin schon öfter mal hingeflogen. Aber bei einer Distanz von 54 Millionen Lichtjahren haben wir keine Chance uns auch nur irgendwie so weit zu nähern, dass sich an der scheinbaren Größe des schwarzen Lochs etwas ändern würde. Also müssen wir einen anderen Weg finden. Wir brauchen Teleskope mit einem besseren Auflösungsvermögen.
Das Event Horison ist ein solches Teleskop.
und genau damit war es möglich, die Bilder des schwarzen Loches im Zentrum von M87 und dem im Zentrum unserer Milchstraße einzufangen.
Wie dieses Instrument arbeitet und funktioniert, erfahrt ihr beim nächsten mal.
Weil die Löcher schwarz sind, haben wir auf beiden Fotos eigentlich wieder kein schwarzes Loch gesehen.
Wir haben das Licht gesehen, das vom Material in der Umgebung des schwarzen Lochs stammt. Aber sonst nichts. Und gerade das Nichts hätten wir gerne gesehen.
Die letzte Frage, die man sich hier noch stellen kann ist die, wieso man nicht zuerst Sagittarius A* in unserer Galaxis fotografiert hatte. Schließlich ist es deutlich näher als M87, dafür aber auch viel kleiner. Tatsächlich wurden beide Bilder ungefähr zeitgleich gemacht. So ähnlich sich die beiden Fotos auch sehen. Die beiden schwarzen Löcher sind so unterschiedlich, wie es sie nur sein können. Die Berechnung des Bildes von Sagittarius A* dauerte wegen der Pandemie und anderen Gründen einfach länger.
Aber auch diese aufregende Antwort heben wir uns für einen weiteren Artikel auf. Es bleibt spannend. Das kann ich euch versichern.
Heute wird es rätselhaft auf Blindnerd. Es geht um folgendes:
ein A4-Blatt liegt quer vor mir. Es ist tastbar bedruckt. Das erste, was ich ertaste sind zwei Ringe, die einen Durchmesser von etwa sieben Zentimeter besitzen und etwa in einem Abstand von fünf cm voneinander entfernt sind. Sie gehören also offenbar nicht zusammen und sind zwei voneinander völlig getrennte Objekte.
Normalerweise suche ich jetzt nach Beschriftungen in Punktschrift, damit ich vielleicht erfahre, worum es sich denn bei diesen merkwürdigen Ringen handelt. Das tue ich auch, aber halten wir noch etwas die Spannung.
Im nächsten Schritt vergleiche ich die beiden Ringe. Wie schon gesagt. Sie sind gleich groß, denke ich. Dasselbe trifft scheinbar auch auf ihre Löcher in der Mitte zu. Obwohl; vielleicht doch nicht ganz. Mir scheint, dass das Loch des rechten Ringes etwas oval ist. Ich fühle rechts eine leichte Spitze. Schwer, genau zu fühlen, da die taktile Struktur rund um die Löcher beider Ringe relativ schwach ist. Das liegt aber an dem Druckverfahren und den Farben des Bildes, die der Stärke der Pünktchen zugeordnet sind. Das zeigt mir, dass auch für sehende Betrachtende die Kontraste hier sehr schwach sein dürften. Immerhin, schwach ist besser als nichts. Bisher ertaste ich jeweils einen Ring mit einer Hand. Mehr und mehr bemerke ich aber, dass sich die beiden Ringe doch nicht ganz so ähneln, wie ich zuerst dachte. Also ändere ich meine Strategie, und gehe dazu über, die beiden Ringe einzeln und für sich mit beiden Händen nach und nach zu erkunden. Ich fange also mal mit den linken Ring an, und nehme ihn vor allem unter beide Zeigefinger. Vorsichtig und aufmerksam umfahre ich ihn mit beiden Fingern. Zwei Sachen fallen mir da auf. Zum einen ist der Ring weiter außen etwas schwächer gedruckt als weiter innen. Mir scheint auch, dass der Ring vielleicht doch nicht knallrund ist. Ich fühle unten und dann nochmal schräg rechts eine leichte Ausbuchtung. Ich sagte schon, dass sich die Farbe nach innen zu verändern scheint, denn dort ist er stärker gedruckt. Und nicht nur das. Der innere Teil des Ringes scheint eher einen Farbverlauf zu haben, denn unten links ist ein Teil noch etwas stärker gedruckt. Fühlt sich an, als läge eine Banane auf dem Ring. Schräg rechts unten finde ich noch ein Gebilde, das mich an einen Tropfen erinnert, dessen Spitze in Richtung des Loches in der Mitte zeigt. Insgesamt ist auch dieser innere stärker geprägte Teil des Ringes nicht ganz rund. Was ist das bloß für ein merkwürdiges Objekt. Mich zuckt es in den Fingern, und mich möchte nach oben fahren, wo eine Beschriftung steht. Abermals verkneife ich es mir, um für euch den Spannungsbogen aufrecht zu halten.
Wenden wir uns nun dem rechten Gebilde zu. Insgesamt ist dieses Bild, was es auch immer sein mag, dem linken zwar ringförmig ähnlich, aber es wirkt doch etwas unruhiger. Auch hier gibt es unten rechts eine kleine Ausbuchtung. Auch hier verändert sich nach innen hin scheinbar die Farbe, weil der Druck dort stärker wird. Auf diesem inneren Ring finde ich gleich drei Stellen, die besonders hell sein könnten. Die größte ist rechts oben und erinnert mich fast an einen Halbmond. Rechts unten ist wieder etwas tropfenförmiges, dessen Spitze nach links oben in Richtung Loch zeigt. Es könnten aber auch zwei hellere Stellen sein, die dicht übereinander liegen. Das fühle ich nicht ganz genau. Links oben finde ich dann noch etwas, das sich anfühlt, wie ein ausgefüllter Kreis mit etwa anderthalb Zentimetern Durchmesser. Auch scheint das Loch dieses Ringes deutlich verwaschener zu sein als auf dem linken Bild.
Ja, ich glaube, jetzt habe ich beide Bilder beschrieben. Ich könnte jetzt noch mein Farberkennungsgerät zu Rate ziehen, um zu versuchen, die Farbverläufe mir zu erschließen. Es ist aber manchmal nicht so einfach, die Farben auf geprägten Oberflächen zu erkennen. Die kommen im Gerät dann doch manchmal anders heraus als jemand sehendes sie sieht. Dass aber Farbe da ist, fühle ich genau, denn ich kann den Toner des Laser-Printers auf dem ganzen Blatt fühlen. Dann fühlt sich das Papier immer an, als wäre es leicht lackiert.
So, meine lieben. Bevor ich jetzt gleich zur Auflösung dieses löchrigen Rätsels komme, seit ihr gefragt. Wer mag, darf gerne mal die Lösung überspringen und mir entweder in den Kommentaren oder, wer Angst hat, sich mit einer Antwort öffentlich zu outen, über das Kontaktformular schreiben, was ich hier ertastet und beschrieben habe.
Danach kehrt zurück und lest die Auflösung.
Bevor ich aber nun zur Auflösung des Rätsels komme, muss ich erst noch meine kleine Flunkerei offenbaren. Natürlich weiß ich, worum es sich bei diesen beiden Objekten handelt. Schließlich habe ich ja meinen Kollegen darum gebeten, mir diese taktile Grafik anzufertigen. Zum Glück arbeite ich am ACCES@KIT, früher Studienzentrum für Sehgeschädigte (SZS). Nur dort habe ich einen so wunderbaren Zugang zu derlei Dingen. Dafür empfinde ich ein großes Stück Dankbarkeit.
Aber jetzt genug geschwätzt.
Der Grund meines Wunsches, dieses Bild zu bekommen ist etwas, das Mitte April durch die Medien geisterte. Da war die Rede davon dass der Teleskopverbund Event Horison nun auch ein „Foto“ des schwarzen Loches Sagittarius A* in der Mitte unserer Galaxis „geschossen“ hat. Und das war nicht das erste. Schon 2019 machte dieses riesige Teleskop von sich reden, indem die dortigen Wissenschaftler das erste Foto der Umgebung eines schwarzen Loches überhaupt anfertigten. Es war das super massereiche schwarze Loch in mitten der elliptischen Galaxi M87, die viele Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist.
Diese beiden Fotos wollte ich einfach mal unter die Finger bekommen. Das Linke Bild zeigt also das erste Foto von M87 und das zweite das neue Foto von Sagittarius A*. Diese Bilder werfen so einige Fragen auf, denen wir uns in den nächsten Artikeln widmen werden.
Wieso fotografiert man zuerst ein Bild eines schwarzen Loches aus einer Galaxie, die so weit weg von uns ist, wo doch unseres viel näher wäre?
Mit welcher Art Kamera hat man die Bilder gemacht?
Was ist das Event Horison Telescope überhaupt?
Was sieht man genau auf dem Bild? Das schwarze Loch doch eher nicht, denn es ist ja unsichtbar.
Mit diesen und noch mehr quälenden Fragen lasse ich euch für diesmal bis zum nächsten Artikel zurück.
Heute ist es also an seinem Ziel um die Sonne angekommen, das James-Webb-Space Teleskop. Das ist auf jeden Fall eines der ambitioniertesten Projekte mit dermaßen vielen technischen Herausforderungen, das die Menschheit vielleicht je gebaut hat. Es ist die Rede von 344 (dreihundertvierundvierzig) Dingen, die hätten schief gehen können. Damit ist vor allem die Entfaltung des ganzen Teleskops gemeint. Da ist der Hitzeschild, groß, wie ein Tennisplatz, der aus fünf Schichten besteht, die nur wenige Mikrometer dünn sind und zwischen denen sich Vakuum zum Wärmeschutz bilden soll. Da sind die Sonnenkollektoren, die entfaltet werden müssen, da ist der aus vielen Sechsecken bestehende Primärspiegel, der Sekundärspiegel, Arme die ausgefahren werden mussten, und, und, und. Wer von euch schon mal versucht hat, eine Landkarte von Falk wieder zusammen zu falten, weiß ungefähr, was ich meine. Damit kann man sein Leben zubringen. Und das alles hat automatisch im All ohne einen einzigen Origami-Künstler funktioniert. Aber das ist es eigentlich gar nicht, was ich schreiben will. Zum Teleskop hänge ich euch unten einige Links an.
Ich will darüber schreiben, was es mit seinen Kameras und Messinstrumenten sehen und entdecken soll. Manche sagen, das JWST sei der Nachfolger des Hubble-Teleskopes. Das stimmt so nicht. Es ist allenfalls die Konsequenz daraus. Hubble untersucht das Universum im sichtbaren Licht. Das JWST hingegen im unsichtbaren Licht. Würdigen wir also das Teleskop, indem wir uns mit seinem Forschungsgegenstand beschäftigen.
Die Entdeckung des unsichtbaren Lichts
William Herschel, der damals bereits durch seine Entdeckung des Planeten Uranus weltberühmt war, betrachtete oft die Sonne mit seinem Fernrohr, an das er am Okularende Farbfilter angebracht hatte, die seine Augen vor der starken Sonnenstrahlung schützen sollten. Dabei fiel ihm auf, dass er bei Filtern, die kaum Licht durchliessen, oft im Augapfel ein deutliches Wärmegefühl hatte, und er vermutete daher, dass die Wärmestrahlung der Sonne nicht mit dem sichtbaren Licht zuuns kommt, sondern in irgendeiner dem Auge unsichtbaren Form. Den Beweis führte er mit einem Experiment, das sich eng an das Newtonsche Lichtexperiment anschloss. Er ließ Sonnenlicht in einem verdunkelten Raum durch ein Prisma auf einen Papierstreifen fallen
Newton löste das Sonnenlicht mittels eines Prismas in seine Regenbogenfarben auf und setzte es dann mit einem zweiten wieder zu weißem Licht zusammen. Daraus leitete Newton seine Theorie ab, woraus Licht bestehen könnte.
Wir begegneten dem Licht und seiner Eigenschafften auf der Reise zu den schwarzen Löchern in Station sechs.
An das rote Ende des Spektrums, aber außerhalb des Bereiches, in dem man das in Farben zerlegte Sonnenlicht sehen kann, legte Herschel nun drei Thermometer auf den Tisch. Dort, wo unser Auge kein Licht mehr wahrnimmt, zeigten die Messgeräte erhöhte Temperaturen an. Herschel hatte die Strahlen der Sonne entdeckt, die jenseits des roten Lichtes im Spektrum liegen, das infrarote Licht. Angeregt durch diese Entdeckung setzte der deutsche Physiker johann Wilhelm Ritter (1776-1810) Silberchlorid verschiedenen Bereichen des Sonnenspektrums aus. Diese Verbindung des Silbers wird durch Licht verändert, deshalb verwendete man sie vor den Digitalkameras ebenso wie Silberbromid in der Fotografie. In Brillengläsern, die sich automatisch der Helligkeit anpassen, werden diese Chemikalien ebenfalls eingesetzt.
Ritter fand, dass die stärksten chemischen Reaktionen jenseits des violetten Endes des Spektrums auftraten. So entdeckte er die Ultraviolettstrahlung der Sonne.
Herschel und Ritter hatten für das Auge unsichtbare Sonnenstrahlen gefunden, die das Newtonsche Spektrum sowohl über das rote als auch über das violette Ende hinaus fortsetzten. Heute wissen wir, dass man das Spektrum nach beiden Seiten hin noch viel weiter ausdehnen kann.
Nach dem infraroten Licht kommen die Radiowellen. Nach der anderen Seite des Spektrums, jenseits des violetten Endes liegen hinter dem Ultraviolett noch die Röntgenstrahlen und schließlich die sogenannten Gammastrahlen. Die Sonne sendet alle diese Strahlenarten in den Raum. Vor den gefährlichsten Strahlung schützt uns zum Glück unsere Atmosphäre.
Das Infrarote Licht
Infrarotes Licht nehmen wir als Wärme war. Rotlichtlampen, die häufig in der Medizin zur Heilung von Schmerzen verwendet werden, senden fast nur infrarotes Licht aus, ebenso Heizspiralen unserer Grills und Backöfen. Unsere Sonne überbringt uns wohlige Wärme durch den Anteil ihrer infraroten Strahlung.
Das Verhängnis unseres Klimawandels verdanken wir der Tatsache, dass die Treibhausgase zwar das sichtbare Sonnenlicht durchlassen, es aber dabei in langwelligeres infrarotes Licht verwandeln, dass diese Gase dann eben nicht mehr ins All zurück lassen. Diese Wärme bildet dann das schädliche Treibhaus.
Wieso ist aber nun gerade für uns infrarotes Licht im All so spannend, dass wir ein zehn Milliarden teures Teleskop zu seiner Erforschung bauen.
Die Idee
Die Idee dahinter kennen wir aus unserem Alltag. An anderer Stelle beschrieb ich schon den Dopplereffekt. Der ist dafür verantwortlich, dass ein auf uns zu fahrender Krankenwagen zunächst höher klingt, und ein sich entfernender wieder tiefer. Diesen Effekt gibt es auch beim Licht. Dort wurde er sogar zuerst gefunden. Objekte im All, z. B. Sterne oder Galaxien, die sich von uns weg bewegen, erscheinen uns etwas in das rote Lichtspektrum hinein verschoben, da ihre Lichtwellen genau wie die Schallwellen der Polizeisirene hier auf Erden auch, in die Länge gezogen werden. Zusätzlich verstärkt sich dieser Effekt im All bei großen Distanzen noch dadurch, dass sich der Raum selbst ausdehnt und die Teile des Universums auseinander treibt. Seit dem Urknall vor vierzehn Milliarden Jahren dehnt sich das Universum aus. Es kommt zwar bei relativ kleinen Distanzen vor, dass sich im All auch Objekte aufeinander zu bewegen, aber im allgemeinen strebt alles von einander weg. Man stelle sich Rosinen in einem aufgehenden Hefeteig vor.
Unsere Galaxie wird mit der Andromeda-Galaxie in vielen Milliarden Jahren beispielsweise verschmelzen, ob wohl sich das Weltall stets ausdehnt.
Die Andromeda-Galaxie ist unser galaktischer Nachbar und rast mit 402.00 Kilometer pro Stunde auf uns zu. Auch wenn das noch sehr lange dauert, hat diese neue Galaxie schon einen Namen, Mildromeda. Zugegeben, nicht sehr phantasievoll, aber es wird von uns sowieso bis da hin niemanden mehr geben, der diese Galaxie bei ihrem neuen Namen rufen wird. Diese Verschmelzung ist dadurch möglich, dass die beiden Galaxien sich so nahe stehen, dass die gegenseitige Anziehung durch ihre Gravitation gegen die allgemeine Ausdehnung des Alls überwiegt, aber zurück zum Licht der Begierde des JWST.
Spurensuche
Wenn sich nun im Grunde alles im All von uns weg bewegt, dann bedeutet das für dessen Licht, dass es aus dem sichtbaren Bereich in den unsichtbaren langwelligeren infraroten Bereich gedehnt wird. Und dieses um so mehr, desto mehr Zeit dem Objekt blieb, sich von uns, vom „Ursprung“ des Universums zu entfernen. Die ersten Sterne oder Galaxien, die vor fast vierzehn Milliarden Jahren entstanden, leuchten somit für uns nicht mehr im sichtbaren Licht, obwohl deren Sterne dies an sich durchaus tun. Es gibt also Objekte im All, die aufgrund ihrer zunehmenden Entfernung und ihres Alters nur noch im infraroten Licht als Wärmequellen aufgespürt werden können. Da haben wir hier auf der Erde aber verloren. Diese Wärmequellen können wir wegen unserer Atmosphäre nicht mit irdischen Teleskopen messen. Man muss sich somit schon aus der Komfortzone der uns schützenden Luft bequemen, um hier etwas sehen zu können. Infrarote Himmelsobjekte auf der Erde zu beobachten ist ungefähr so, als würde man versuchen, in praller Sonne Sterne zu schauen. Also machte sich die Menschheit auf, um mit dem neuen JWST diese uralten im infraroten Licht strahlenden Objekte aufzuspüren. Das im sichtbaren Licht schauende Hubble-Teleskop bewegt sich so etwa in einer Höhe um 600 Kilometer um die Erde. Aus diesem Grunde konnte man es damals mit den Shuttles erreichen und fünf mal reparieren und technisch überholen. Beim JWST ist das anders. Dort, wo es sich jetzt befindet, etwa 1,5 Millionen Kilometer hinter der Erde, kann die Menschheit bisher nicht hin fliegen um es zu warten. Es befindet sich nun am sog Lagrange-Punkt 2. Über diese besonderen Punkte schrieb ich in Parken im All.
Dennoch hat man für den Fall, dass wir am Ende seines Lebens vielleicht doch so weit sein könnten, um es für eine Überholung zu besuchen, schon mal einen Tankdeckel eingebaut, um es eventuell neu zu betanken.
Das JWST könnte in so einer geringen Entfernung zur Erde wie das Hubble, überhaupt nichts erforschen, weil es permanent in der infraroten Wärmestrahlung sowohl der Erde, als auch der Sonne baden würde. Aus diesem Grund brachte man es an einen sicheren Ort weit weg von der störenden Wärme der Erde in ihren Schatten an den erwähnten sicheren Lagrange-Punkt 2.Der Erdschatten soll das Teleskop von der Sonne schützen, die es ja auch aufwärmen würde. Und damit nicht genug. Etwas Sonne braucht das Gerät ja doch, denn ohne Strom geht auch im All nichts. Aus diesem Grunde wendet uns das Teleskop seinen Tennisplatz großen Schutzschild zu. Er soll verhindern, dass die Instrumente sich erwärmen, denn dann würden die nur ihre eigene Wärme messen und die infraroten Himmelsobjekte übersehen. Wir merken schon. Infrarotmessung geht nur in sehr kalter Umgebung. Die Wärme der gesuchten Objekte hebt sich nur gering gegen das an sich kalte Weltall ab. Eines der drei Instrumente auf dem WST muss sogar noch zusätzlich mit Helium gekühlt werden, damit seine Arbeitstemperatur stets einige Grad über dem absoluten Nullpunkt, der ungefähr bei minus 273 Grad C. liegt, bleibt. Neben dem Treibstoff, den das Teleskop zur Bahnkorrektur benötigt und , der dem Teleskop irgendwann ausgehen wird, ist der Verbrauch des Kühlmediums ein begrenzender Faktor für das Leben des Instrumentes.
Wenn also das JWST nun den Himmel nach derart alten Objekten durchmustert, die kurz nach dem Urknall entstanden sind, dann dürfen wir hoffen, vieles darüber zu erfahren, was am Anfang geschah.
Wünschen wir also dem James-Webb-Space-Teleskop alles gute und dass es uns durch die Messung des unsichtbaren Lichts viel neue Klarheit und Licht in das Dunkels des Anfanges des Universums bringen wird.
Weiterführendes
Wer sich genauer für das Webb-Space-Teleskop interessiert, findet im
Podcast @Weltraumwagner eine sehr spannende und hörenswerte Folge dazu.
Auch im Podcast @Raumzeit wird das JWST in Folge 93 sehr ausführlich und detailliert behandelt.
in SWR2-Wissen findet sich eine schöne Sendung über den Start des JWST.
und natürlich im Podcast#“Das Universum“ findet sich eine weitere äußerst spannende Folge dazu.
Empfehlen kann ich hier auch noch den Podcast der Spektrum der Wissenschaft
In all diesen Beiträgen und Sendungen finden sich Beiträge und Interviews dazu, die das Ding deutlich besser beschreiben, als ich es je könnte. Wen das mit der Verschmelzung von Galaxien und der Ausdehnung des Alls näher interessiert, darf ich das neue Buch von Rut Grützbauch „Per Lastenrad durch die Galaxis“ wärmstens ans Herz legen. Es gibt es bei Audible bereits als Hörbuch von der Autorin persönlich aufgesprochen.
heute feiern wir den 150sten, in Worten, den einhundertfünfzigsten Artikel auf Blindnerd. Den hundertsten Artikel feierten wir letztes Jahr im Lockdown1.
Was soll man da für ein Thema nehmen, dass etwas festlich ist und der Sache irgendwie gerecht wird.
Zum einhundertsten Artikel beschrieb ich euch, wie ich in die Schreibsucht geraten bin und bot euch einige Artikel aus allen Kategorien des Blogs zur Abstimmung an. Leider hat das offenbar obwohl ein Preis hätte winken sollen, nicht bei euch eingeschlagen. Wen wundert es. Wir hatten alle mit dem Lockdown zu kämpfen und damit andere Dinge im Kopf. Ich für meinen Teil kann sagen, dass die Astronomie und dieser Blog oft das einzige waren, was mich durch die Einsamkeit der Lockdowns trug. Keinem hat diese Zeit so gut getan, wie meinem Blog. 56 Artikel sind seit dem Ausbruch der Pandemie entstanden.
Nun aber genug der düsteren Zeiten. Wir wollen doch feiern…
Lasst uns einen Rückblick wagen auf das, was seit dem hundertsten Artikel hier auf Blindnerd.de so los war.
Die letzten Fünfzig
An den letzten Artikel, die Einhundertneunundvierzig, erinnern sich bestimmt noch viele. Wir begaben uns auf Entdeckungsreise zu den Monden des Uranus und wie die Protagonisten aus Williams Shakespeares Stücken als Namensgeber der sehr zahlreichen Saturnmonde her halten mussten. Also ich fand die Geschichte sehr spannend und aufregend.
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Davor hielt mich fast ein halbes Jahr ein Projekt in Atem. Ihr wisst schon. Die Reise zu den schwarzen Löchern. Hier wurde aus einem etwa dreistündigen Vortrag eine elfteilige Serie. Von Archimedes über Johannes Kepler, Isaac Newton, Cavendish und anderen bis hin zu Albert Einstein durchliefen wir alle Stationen, wie die Gravitation entdeckt, Masse und Volumina zusammen hängen, mit welcher Kraft die Erde alles anzieht, wir wogen den Mond, die Erde und andere Himmelskörper. Nach und nach lernten wir über Einstein, Eigenschaften des Lichtes und des Vakuums dann die heimliche Herrscherin über Raum und Zeit kennen, die Gravitation, die schwächste der vier Grundkräfte des momentan gültigen Standardmodells der Physik. Am Ende mussten wir uns mit sterbenden Sternen beschäftigen, wie sie zu weißen Zwergen, zu Neutronensternen oder gar als schwarze Löcher enden können. Diese untersuchten wir genauer, denn sie waren das Ziel dieser Reise. Nie hätte ich erwartet, dass diese Serie so umfangreich würde, so dass ich eventuell in Betracht ziehe, daraus ein Büchlein zu schreiben. Der Anfang hierzu ist gemacht. Wir werden sehen, wie das sich entwickelt und anläuft. Euch danke ich, dass ihr beim Lesen dieser Serie mehr oder weniger durchgehalten habt, denn an manchen Stellen ging es leider nicht ohne Mathematik und sprengte auch sonst das ein oder andere mal die Vorstellungskraft unserer Spezies.
Ich habe für diese Serie extra eine weitere Kategorie auf dem Blog eingeführt, so dass die betreffenden Artikel besser gefiltert werden können, wenn man nach ihnen sucht.
Sie heißt Den Schwarzen Löchern entgegen.
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Unterbrochen wurde die Serie lediglich durch ein astronomisches Ereignis, welches ich nicht unerwähnt gelassen haben wollte. Es ging um die ringförmige Sonnenfinsternis vom 10.06.2020.
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Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Astronomie ist die Navigation auf hoher See. Den Breitengrad konnte man anhand der Sonne, des Horizonts und des Mondes einigermaßen mit Sextanten als Instrument bestimmen. Für den Längengrad brauchte man genaue Uhren. Wir beschäftigten uns also mit der berühmteste Schiffsuhr, deren Erfinders und dessen tragischen Lebens.
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Vor allem von blinden Menschen wurde und werde ich immer mal wieder darüber befragt, wie es sich denn genau mit Tag und Nacht verhält, ab wann die Sterne zu sehen sind und wie sie wieder verschwinden. Somit griff ich die Frage einer guten Freundin auf und wir taten die Reise durch den Verlauf von Tag und Nacht.
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Wer länger schon hier mitliest weiß, dass ich in meinen Artikeln auch immer wieder den Jahreslauf mit seinen astronomischen Ereignissen und natürlich seinen Feiertagen aufgreife. „Querbeet durch das Jahr“ meinte einmal mein alter Freund und Chorleiter zu mir, wäre ein schönes Motto und ein schöner Inhalt für ein weiteres Buch. Vielleicht wird da mal etwas daraus. Wer weiß. Auf jeden Fall tastete ich mich diesmal ganz anders an Ostern heran, denn den Frühlingsanfang und wie sich daraus Ostern ableitet, hatte ich schon früher ausführlich beschrieben. Diesmal ging es im Zeichen von „Respekt und Toleranz um andere Religionsgemeinschaften, insbesondere um deren Fastenzeiten und was die Astronomie damit zu tun hat. In Zeiten von Querdenkern und Polarisierung sind solche Zeichen wichtig.
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Wie Sonnwend abläuft hatte ich auch längst schon abgearbeitet, aber nicht, wie der Sonnenlauf als ganzes funktioniert und welche Figur die Sonne im Laufe eines Jahres an den Himmel zeichnet. All das schilderte ich zur Der Jahreslauf unserer Sonne.
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Was ich mir auch in jedem Jahr nicht nehmen lasse ist, den Weltfrauentag am 08.03. zu würdigen. Noch immer sind Frauen in vielen Belangen und ganz besonders in naturwissenschaftlichen Fächern unterrepräsentiert und benachteiligt. Deshalb widmeten wir uns 2021 der im Schatten ihres berühmten Astronomen Tycho Brahe stehenden Schwester, die unerkannt eine große Himmelskundlerin war.
Zu diesem Artikel geht es bitte hier lang.
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Bis dato wusste ich überhaupt nicht, dass es am 10.02. eines jeden Jahres den „Women Science Day“ gibt. Da ich für mehr Frauen in der Wissenschaft brenne, würdigte ich an diesem Tag die ersten Astronautinnen im All.
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Und nun stand Weihnachten 2020 vor der Tür. Zu dieser Gelegenheit erhielt ich von meinem geliebten Freund, Chorleiter und Mentor ein unglaublich schönes und astronomisches Weihnachtsgeschenk, eine taktile Sternenkarte.
Sie war in der tat mein schönstes Weihnachtsgeschenk 2020.
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Selbstverständlich durfte mein obligatorischer Jahresrückblick 2020 zu meinen Veranstaltungen zum Jahreswechsel ebenfalls nicht fehlen.
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Immer und immer wieder stellt sich die Frage zur Weihnachtszeit, was denn der Stern von Bethlehem genau gewesen sein könnte. Mitte Dezember 2020 trat ein recht seltenes Astronomisches Ereignis auf, das ein guter Kandidat für diesen Stern abgeben könnte.
Diesen Kandidaten könnt ihr hier kennenlernen.
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Die Vorweihnachtszeit hat sehr viel mit Lichtern und auch mit Sternen zu tun. Außerdem empfängt man, zwar nicht in 2020, Gäste und wird auch selbst eingeladen. Auch am Himmelszelt erscheinen dann und wann Sterne, also Himmelsgäste, wo eigentlich keine hin gehören.
Einige dieser Himmelsgäste könnt ihr hier antreffen.
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Der letzte Sonntag des Kirchenjahres vor dem ersten Advent ist der Totensonntag. Leider hatte ich in dieser Zeit tatsächlich einen Wegbegleiter, ein Vorbild, einen großartigen Autoren und einen wunderbaren Professor verloren. Rudolf Kippenhahn und seine Bücher waren mir stets ein Wegbereiter und begleiten mich bis heute über dreieinhalb Jahrzehnte hindurch.
Würdigen wir ihn erneut in diesem, meinem Nachruf.
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Nun verlassen wir die Chronologie der Artikel etwas, weil ich eine Serie, auf die ich später noch zu sprechen komme, dafür unterbrechen musste.
Obwohl ich nicht wollte, ließ ich mich kurz vor Lockdown2 dazu breit schlagen, einen Corona-Report zu schreiben. Das tat ich dann, aber den lesen wir heute zur Feier des Tages besser nicht, aber er ist für die Historie wichtig.
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Lesenswerter für den Moment dürfte da mein Artikel zu Halloween sein. Immerhin hatten wir an Halloween 2020 sogar Vollmond, so dass alle Werwölfe pünktlich zum Gruselfest verwandelt waren und ihr Unwesen trieben.
Zum Gruselfest bitte hier lang.
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Jetzt wird es schwierig, die weitere Reihenfolge der Artikel einzuhalten, denn ich begann quasi zwei Serien parallel, von denen ich mal die eine, und mal die andere mit Artikeln bediente und noch bedienen werde, denn beide Serien verlangen noch nach weiteren Artikeln.
Mein verehrter Professor Rudolf Kippenhahn war ein großer Erforscher der Sonne. Somit war es gut und recht, eine Serie über die Sonne zu beginnen. Alle Sonnen-Artikel sind in der Kategorie Der Sonne entgegen zu finden.
Ein Schlüsselerlebnis wieso ich im Herzen Astronom wurde, waren Kometen. Wer mein Buch gelesen hat weiß, wie fasziniert ich 1986 am Fernseher verfolgte, als die Raumsonde Giotto durch den Schweif des Halleyschen Kometen flog. Die Nachfolgemission Rosetta ist ebenfalls so ein Meilenstein auf meinem Weg, der hier erwähnt werden muss. Ich schrieb über diese Mission an anderer Stelle.
Grund genug also eine Serie über Kometen zu beginnen. Sechs Kometengeschichten befinden sich bereits momentan in der Kategorie
„Kometen.
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Nun befinden wir uns zeitlich Anfang Juli 2020. Ich meine, dass da die Frage durch Twitter zischte, wie viele Freitage der dreizehnte es eigentlich so gibt. Interessant dachte ich. Ich bin zwar nicht abergläubisch, aber das brachte uns direkt über unseren Ggregorianischen Kalender mit der Astronomie in Verbindung. So griff ich das Thema auf, suchte etwas herum und verarbeitete das gefundene in meinen Gedanken zu Freitag, 13..
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Viele von uns haben sicher in diesen Zeiten mehr als vorher sich dann und wann mit Pizza ernährt. Pizza gibt es auch im Weltraum.
Schon seit dreißig Jahren fliegt die internationale Raumstation über unseren köpfen in 400 km Höhe hinweg. Das ist schon ein technisches Wunder, dass diese komplexe Maschine den Gefahren des Weltalls bisher immer trotzte. Die Hauptgefahr sind harte Teilchen, kleinste Asteroiden oder Weltraummüll. Um die Raumstation davor zu schützen, packt man sie in eine gedachte Pizzaschachtel. Nähert sich ein Teilchen dieser gedachten Box, dann wird die Raumstation angehoben, so dass das Teilchen an ihr vorbei fliegt. Das Raumschiff in der Pizzaschachtel erzählt von der astronomischen Verbindung zu diesem wunderbaren Italienischen Essen.
Übrigens hat Italien das durchaus verdient, weil Italien eine großartige astonomische Tradition besitzt.
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Ich weiß jetzt nicht mehr genau wann, wie und wo.
Es gab wohl Mitte 2020 eine Sonnenfinsternis. Da ich Finsternisse schon beschrieb, näherte ich mich ihnen diesmal Literarisch. Kindererinnerungen werden wach, wenn man die Namen der Autoren liest, um welche es in Dieser Abhandlung geht.
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An dieser Stelle wurde es Zeit, eine weitere Serie oder Kategorie einzuführen. In „Dem Mond entgegen“ sammle ich alle Artikel, die zum Thema Mond und dessen Erforschung entstanden und noch entstehen werden. So meine Abhandlung zum Thema „Hat der Mond Einfluss auf uns Menschen“.
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Besonders von Kindern bekomme ich immer wieder ganz interessante und spannende Fragen gestellt. So schrieb ich nachdem ich von einem virtuellen Kindergeburtstag zurück kam, auf welchem ich als Gast vortragen durfte, einen Artikel über die wunderschöne Kinderfrage: Wie sieht der Himmel woanders aus“.
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Passend zu dieser Himmelsfrage stellte ich ein romantisches Plätzchen in unserem Sonnensystem, genauer auf dem Merkur vor. Wäre es dort nicht so unvorstellbar heiß, dann wäre dieses Liebesnest vielleicht von Weltraumtouristen überlaufen. Wer diese Liebeslaube kennenlernen möchte, bitte hier lang.
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Apropos Weltraumtourismus und Liebeslaube. Wer so wo hin möchte, wird nicht zu Fuß unterwegs sein. Man braucht schon einen Parkplatz für sein Weltraum-Gefährt.
Parken im all sagt ihr ginge nicht? Dann lest mal hier, wie und wo man im All parken kann.
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Der Sonntag des Gesanges, Kantate, fiel bekanntlicher Weise im Jahre 2020 ganz besonders anders aus. Dem wollte ich mit meinen Sonnengesängen unbedingt etwas freudiges entgegen halten.
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Neben weiteren Sonnen-Artikeln erschien zum Tag der Arbeit, 01.05.2020 einer, der es tatsächlich fertig bringt, die Astronomie mit der Arbeiterbewegung zu verbinden.
Er heißt „ein Stern der Arbeiterbewegung“.
Epilog
und damit sind wir am Ende unserer kleinen Feier, die hoffentlich nicht als Bauchpinselei meinerseitz empfunden wurde. Was mir auf dieser Feier besonders gefallen hat. Man sieht wieder mal sehr genau, wie vielfältig die Astronomie ist. Es ist möglich, sich ihr auf so unterschiedliche Weisen zu nähern, dass ganz viele verschiedene Zugänge entstehen.
Nicht jeder Zugang ist für jeden Menschen geeignet, wie beispielsweise das Teleskop für mich nicht, aber es gibt einen Zugang für jeden Menschen. Das ist meine tiefste überzeugung. Diese wird stets durch weitere Artikel, Vorträge und alles, was ich so mache, rundum erneuert und bestärkt.
Der Himmel ist für alle da.
Nun hoffe ich, dass ihr mir für weitere fünfzig Artikel gewogen bleibt.
Gratulationen, Glückwünsche, oder, was ich natürlich nicht offe, eine Äußerung in die Richtung, dass ich endlich mal wieder mit diesem Astrokram aufhören sollte, sind in den Kommentaren gerne gesehen. Gerne dürft ihr natürlich auch in euren Kreisen Werbung für diesen Blog machen, wenn es dafür auch keine neue Waschmaschine geben wird…
nun haben mich doch einige Rufe nach einem letzten, unsere Reise zu den schwarzen Löchern abschließenden, Artikel erreicht. Diesem Wunsche, der teilweise auch meiner ist, komme ich nun nach. Ich werde hier nochmals kurz zusammenfassen, was wir auf unseren zehn Stationen erlebt haben. Außerdem gibt es dann als Zugabe noch einige Gedanken zur Entstehung unseres Universums und was einmal aus ihm werden könnte. Auch das hat mit unseren schwarzen Löchern zu tun.
Am Ende jetes Kapitels findet ihr dann nochmal den Link zur passenden Station.
Also los:
Station I
In Station eins lernten wir den alten Griechen Archimedes kennen, der für seinen König überprüfen sollte, ob seine neue Krone aus den richtigen Verhältnissen von Gold und Silber bestünde. In seiner Wanne kam ihm die zündende Idee, die Krone gegen einen Silber- und einen Goldbarren, die dem Verhältnis der Metalle in der Krone entsprachen, zu wiegen. Damit deckte er den Betrug des Goldschmiedes auf und entdeckte das Gesetz des Auftriebes. Dieses führte uns zu dem Zusammenhang zwischen Masse und Volumen, der Dichte. Schließlich machten wir noch einen Abstecher zur heimlichen Herrscherin des Universums, der Gravitation. Wir lernten ihre Seltsamkeiten und ihre Starallüren kennen. Sie krümmt den Raum und verändert dessen Geometrie, bessergesagt die Raumzeit und hat auch noch mehr Merkwürdigkeiten zu bieten. S1, Der Mann in der Wanne
Station II
Station zwei führte uns zunächst ins ehrwürdige Italien des ausgehenden Mittelalters. Wir lernten Galileo Galilei kennen, der sich mit den Gesetzen fallender Körper beschäftigte. Das führte uns zum Begriff der Beschleunigung im allgemeinen und zur Erdbeschleunigung, welche die Erde als Resultat ihrer eigenen Masse auf fallende Körper ausübt. Wir erkannten auch, dass sich Bewegungen überlagern können, wenn sie durch Kräfte aus verschiedenen Richtungen an einem Körper hervorgerufen werden. Nur so sind Planetenbahnen erklärbar, denn diese fallen kontinuierlich stets um ihre Zentralsterne herum. Nun stellte ich euch den vielleicht berühmtesten Schwaben aller Zeiten vor. Johannes Kepler wandte die Tatsache, dass Bewegungen sich überlagern können, auf die Umlaufbahnen unserer Planeten um die Sonne an und goss seine Erkenntnisse in seine drei keplerschen Gesetze. Von Gravitation wusste er noch nichts. Die mathematischen Gesetze der Gravitation und wie sie auf Körper wechselwirkt, verdanken wir dem Manne, welchem der Legende nach ein Apfel auf den Kopf gefallen sein soll. Isaac Newton machte dieser Apfel weltberühmt. Newton konnte jetzt zwar Körper und ihre Massenverhältnisse bestimmen, aber für die genaue Massenbestimmung fehlte noch die Gravitationskonstante, die erst 200 Jahre nach Newton von Mark Cavendish erstmals angenähert wurde. Mit dem Wissen all dieser erwähnten klugen Männer konnten wir dann als Finale des Artikels die Erdmasse bestimmen. S2, Wir wiegen die Erde
Station III
Station drei fachte unsere Neugier an. Wir wollten wissen, was unser Mond wiegt. Der Abstand Erde-Mond war schon den alten Griechen ungefähr bekannt, die Erdmasse hatten wir in Station zwei bestimmt. Mit Newtons Formeln, erweitert durch die Gravitationskonstante, gelang es uns, die Masse des Mondes zu bestimmen. Ruhe gaben wir aber noch immer nicht. Wenn man den Abstand Erde-Sonne kennt, sollten wir doch auch ihre Masse bestimmen können. Sie ist wirklich eine riesige Zahl. Wir lernten auch, dass es gar nicht so einfach ist, den Abstand Erde-Sonne zu berechnen. Unter zuhilfenahme unseres Nachbarplaneten, der Venus, gelang der Menschheit schließlich, den Abstand zu unserer Sonne zu bestimmen. S3, Wiegen anderer Himmelskörper
Station IV
Der Stein, den der Riese im tapferen Schneiderlein in den Himmel warf, mag zwar hoch geflogen sein, aber er musste wieder auf die Erde zurück, die ihn mit ihrer Gravitation anzog. Wir wissen alle, dass das Schneiderlein den Riesen mit einem Vogel austrickste, der dann eben nicht mehr zurück kam, weil er fliegen konnte. Spätestens seit wir in den Weltraum können, stellte sich die Frage aus Station vier, welche Geschwindigkeit ein Körper haben muss, um die Erdanziehung zu überwinden. Dringlicher wurde die Frage natürlich, als man beschloss, auf den Mond zu gehen. Man will ja schließlich auch wieder heim kommen. Also lernten wir in Station vier die Oberflächenschwerkraft kennen, die auf einen Körper wirkt, der sich auf der Oberfläche eines Himmelskörpers befindet. Die Oberflächenschwerkraft hängt von der Masse und des Volumens eines Planeten, des Mondes oder sonstiger Körper ab. Aus ihr ergibt sich dann die Geschwindigkeit, die man braucht, um den Himmelskörper endgültig verlassen zu können. Deshalb nennt man diese Geschwindigkeit auch Entweichgeschwindigkeit. S4, Wie komme ich hier wieder wech?
Station V
Um ganz elementare Dinge ging es in Station fünf. Schon die alten Griechen fragten sich, woraus denn alles hier auf der Erde überhaupt besteht und was alles zusammen hält. So prägten sie den Begriff des unteilbaren kleinsten Teilchens, des Atoms. Es sollte aber noch drei Jahrtausende dauern, bis ungefähr klar war, wie dieses Atom beschaffen ist, welche Eigenschaften es hat und wie sie sich unterscheiden, um beispielsweise chemische Verbindungen eingehen zu können, um unsere verschiedenen Materialien bilden zu können. In dieser Zeit wurde das unteilbare immer teilbarer und man fand heraus, dass Atome und letztlich das ganze Universum quasi fast aus nichts bestehen. Deshalb mussten wir auch hier einen Abstecher zu zwei anderen Artikeln auf dem Blog machen, in welchen dieses Nichts, das Vakuum erklärt wurde. S5,Urstoff und Klebstoff
Station VI
Um einen ganz anderen „Stoff“ in welchem wir täglich „baden“ ging es in Station sechs. Wir beschäftigten uns in diesem Exkurs intensiv mit der sehr lebhaften Geschichte der Entdeckung des Lichtes.
Was ist es,
wie schnell ist es,
ist es Welle oder Teilchen,
waren Fragen, die wir uns hier stellten. Auch diese Geschichte ist Jahrtausende alt und wir erfuhren nebenbei auch noch, dass es auch Licht gibt, das wir nicht sehen können und dass große Massen Licht ablenken können, was für das Verständnis von schwarzen Löchern elementar wichtig ist. S6, Das Licht
Station VII
Die Hauptfrage in Station sieben war, was passiert, wenn sich so viele Atome zusammen finden, z. B. zu einer Gaswolke, dass in ihrem Inneren die Gravitation so hoch wird, dass die Atome sehr stark zusammen rücken müssen, dass ihre Elektronenhüllen zerquetscht werden, dass Atome sogar verschmelzen. Wir lernten, wie aus einer Gaswolke von Wasserstoff Sterne entstehen, was in ihrem Inneren geschieht, wo z. B. die Energie unserer Sonne her kommt und was am Ende eines Sternenlebens passiert, wenn die Kernverschmelzung erlischt und die Gravitation die Oberhand gewinnt, so dass der sterbende Stern einen Gravitationskollaps erlebt. S7, Die Herrscherin macht Druck im All
Station VIII
Eine Spielart, wie ein sterbender Stern enden kann, lernten wir in Station acht kennen. Die Gravitation quetscht den erloschenen Stern derart, dass die Atome aus denen er besteht, zerstört werden. die Elektronenhüllen der Atome, die in riesigem Abstand normalerweise ihre Kerne umkreisen, zerbrechen. Dadurch rücken die Kernteilchen Protonen und Neutronen sehr stark zusammen. Das hat zur Folge, dass dieses Objekt extrem klein wird. Aus einem Stern, der ein zwei Millionen Kilometer Durchmesser hatte, wird ein nur wenige Kilometer kleiner weißer Zwerg. Weiß deshalb, weil diese Objekte an ihrer Oberfläche so heiß sind, dass sie weißlich leuchten. Sie sind so dicht, das ein Kubikzentimeter dieser entarteten Materie bereits mehrere Tonnen wiegt.
Aber auch diese Zwerge kühlen aus und enden dann als schwarze unsichtbare Zwerge, nicht zu verwechseln mit den braunen Zwergen, denn die sind etwas anderes, das auf unserer Reise nicht von Belang ist. S8, Weiße Zwerge (Bombur)
Station IX
Da nur Sterne einer bestimmten Gewichtsklasse als weiße Zwerge enden, stellte sich in Station neun die Frage, was aus schwereren Sternen wird. Sterne, deren Sternrest nach dem Kollaps etwa zwischen dem eineinhalb und dem dreieinhalb fachen Sonnenmasse besitzen, müssen ihr „Leben danach“ als Neutronensterne fristen. Bei ihnen sind nicht nur die Elektronenhüllen zerstört, sondern ihre Atomkerne sind so gequetscht, dass Elektronen und Protonen zu Neutronen werden müssen. Diese Objekte sind sehr klein und schwer auszumachen. Zumindest im sichtbaren Licht. Sie verraten sich aber wegen ihrer enormen Hitze durch eine starke Röntgenstrahlung und erzeugen mit ihren starken Magnetfeldern sogar Radioprogramm, was in Station acht sogar zu hören ist. Ihre Dichte ist so hoch, dass die Fluchtgeschwindigkeit von einem Neutronenstern bereits mehrere Prozent der Lichtgeschwindigkeit beträgt. S9, Quarktaschen im Universum
Station X
In Station zehn näherten wir uns endlich dem Objekt unserer Begierde, den schwarzen Löchern. Sie stellen die dritte Möglichkeit dar, wie Sterne enden, die noch schwerer als das dreieinhalb fache unserer Sonne sind. Hier wird die Materie derart gequetscht, dass selbst Neutronen zerstört werden. Es gibt nun nichts mehr, was den weiteren Kollaps noch aufhalten kann. Die Gravitation hat nun endgültig über alle Materie gesiegt. Diese Objekte sind so klein und haben eine so hohe Oberflächenschwerkraft, dass nicht mal mehr Licht entweichen kann. Dann wird es mit ihrem Nachweis aber schwierig, da man sie selbst nicht sehen kann und vor allem, weil nichts, nicht mal Licht aus ihnen entkommen kann. Wie wir in dieser Station aber erfahren durften, ist die Situation nicht ganz aussichtslos, denn immerhin sind diese Objekte sehr massereich und können mit ihrer Umgebung so einiges anstellen. So lernten wir verschiedene Möglichkeiten kennen, wie man sie doch nachweisen kann. S10, Das Finale
Zu guter letzt
Wenn schwarze Löcher so etwas endgültiges und ewiges darstellen, dann kann man sich viele Fragen über die Entstehung unseres Universums und was dereinst in sehr, sehr, sehr ferner Zukunft aus ihm werden soll.
Hier eine kleine Auswahl an offenen Fragen:
Werden die schwarzen Löcher einmal alle Materie des Universums aufgesogen haben?
Werden die vielen schwarzen Löcher einst als ein riesiges Monsterloch enden?
Dehnt sich unser Universum ewig weiter aus und verdünnt, wonach es momentan aussieht?
Als was enden schwarze Löcher, wie lange es auch dauern mag?
Gibt es vielleicht tatsächlich Wurmlöcher durch welche Materie bzw. Information in sog. weiße Löcher in andere Universen entschwindet?
Explodiert vielleicht ein riesiges Monsterloch durch andere Eigenschaften des Vakuums, so dass ein neues Universum entsteht?
Was ist mit der Materie, die wir gar nicht hier besprochen haben, der dunklen Materie? Immerhin stellt sie die Hauptmasse im ganzen Universum dar. Könnte sie aus vielen kleinen schwarzen Löchern bestehen?
Die dunkle Energie darf hier auch nicht vernachlässigt werden, die unser Universum sogar beschleunigt aufbläht? Für diese mysteriöse Entdeckung gab es in den neunzigern immerhin einen Nobelpreis.
Was ist sie und wo kommt sie her?
Was wird aus der Tatsache, dass zumindest bis jetzt sich die Gravitation einfach nicht richtig in unser Standardmodell des Universums einfügen möchte, obwohl das Modell ansonsten super funktioniert?
Dies sind alles Fragen, mit denen sich Wissenschaftler derzeit beschäftigen und mit welchen ich euch für den Moment alleine lassen muss.
Wir können sie hier nicht beantworten. Vielleicht taucht die eine oder andere mal in einem meiner nächsten Artikel auf, aber lösen werden wir sie dort auch nicht. Und wenn doch, dann würde ich vermutlich zum ersten blinden Nobelpreisträger aller Zeiten.
Wir können höchstens versuchen zu erklären, welche Lösungsansätze es dafür gibt und welche Hinweise auf die eine oder andere Lösung hin deuten.
Auf jeden Fall machen wir an dieser Stelle erst mal den Sack zu und ich beende diese Serie tatsächlich fast mit etwas Wehmut. So ist das halt immer, wenn man sich länger mit einer Sache beschäftigt. Dann wächst sie einem halt ans Herz. Es gibt sogar Personen, die hier mitlesen, die mir raten, diese Serie zu einem neuen Buch aufzublasen. Das steht aber alles noch in den Sternen.
Und ja, mag die Serie auch jetzt beendet sein. Meine Artikel auf dem Blog sind es nicht. Es wird weitere Artikel geben. Die Themenliste wird nicht kürzer, sondern länger. Also in diesem Sinne bleibt mir bitte treu und bewogen.
seit neun Stationen begleitet ihr mich zu den schwarzen Löchern. Was wir im April 2021 mit einem Vortrag für die Fachgruppe MINT des Deutschen Vereins für Blinde und Sehbehinderte in Studium und Beruf gestartet haben, findet nun langsam seinen Abschluss. Heute werden wir uns wie angekündigt den schwarzen Löchern nähern. Es kann sein, dass es dann noch einen Zugaben-Artikel geben wird, der alles auf unserer Reise nochmals aufgreift, zusammenfasst und abrundet.
Da der heutige Artikel das Finale unserer Reise sein wird, könnte er etwas überlang werden. Ich mag ihn aber jetzt nicht in zwei Artikel aufteilen. Haltet also durch beim Lesen. Es wird sich lohnen.
Nun geht es aber erst mal mit fast Lichtgeschwindigkeit zu den Objekten unserer Begierde.
Also los, gehen wir es an.
Am Ende doch ein Sieg
Wir haben erfahren, wie Sterne als weiße Zwerge enden, die entweder leichter, oder nur um ein weniges schwerer, als unsere Sonne sind.
Dann lernten wir die mysteriösen Neutronensterne oder Pulsare kennen, deren Masse ihres Sternenrestes nach ihrem Kollaps sich in etwa zwischen dem 1,5 – und dem dreieinhalb fachen unserer Sonne bewegen.
Nun kannte man aber längst schon Sterne, die bis zu mehreren hundert Sonnenmassen in sich vereinen. Da sollte es doch möglich sein, dass es auch tote Sterne gibt, deren Restmasse nach ihrem Kollaps deutlich über dreieinhalb Sonnenmassen liegen sollte. Selbst wenn man bedenkt, dass ein Stern am Ende seines Lebens nochmal tüchtig abnimmt und Masse verliert, sollten solche Exemplare existieren.
Als was enden diese Sternleichen, wenn sie aufgrund ihrer Masse nicht als Neutronensterne enden können?
Was geschieht, wenn die Gravitation im Innern eines Sternenrestes so groß wird, dass selbst das Neutronium im Innern eines Neutronensternes ihr nicht mehr stand halten kann?
dann gibt es nach dem heutigen Stand der Wissenschaft nichts mehr, dass den weiteren Kollaps noch aufhalten kann. Das Objekt schrumpft und schrumpft. Es wird dichter und dichter. Dadurch, dass seine Oberfläche immer kleiner wird, vergrößert sich neben seiner Dichte auch die Oberflächenschwerkraft und mit ihr die Fluchtgeschwindigkeit, die man bräuchte, um sich wieder aus dem Gravitationsfeld eines derartigen Objektes zu entfernen. Unserer Erde kann man mit einer Fluchtgeschwindigkeit von 11,2 km/s entkommen. Bei unserem Gasriesen, dem Jupiter, benötigt man schon 59,6 km/s.
Einem Riesenstern zu entkommen bedürfe es dann schon einiger hunderte bis tausenden Km/s. Ein Neutronenstern gäbe unser Raumschiff erst mit einer Geschwindigkeit von einigen Prozenten der Lichtgeschwindigkeit, die im Vakuum 300.000 km/s beträgt, frei. Ein Objekt, mit noch mehr Masse ist denkbar, auf dessen Oberfläche die Fluchtgeschwindigkeit die des Lichtes übersteigt. Nicht einmal mehr Licht kann von so einem Objekt entkommen. Wo kein Licht mehr ist, herrscht Dunkelheit. Nichts liegt daher näher, als so ein zunächst hypothetisch angenommenes Objekt ein schwarzes Loch zu nennen.
Namensgebung
Wikipedia sagt dazu:
Der Begriff „Schwarzes Loch“ ist erstmals 1964 nachgewiesen in einem Bericht der Wissenschaftsjournalistin Ann Ewing über ein Symposion der American Association for the Advancement of Science zu den verschiedenen Endstadien von Sternen. Die Autorin gab Hong-Yee Chiu als Organisator sowie Alastair Cameron, Charles Misner, Volker Weidemann und John Beverly Oke als Redner an, ohne den Urheber des Ausdrucks zu benennen. Etabliert wurde der Begriff 1967, nachdem John Archibald Wheeler bei einer Konferenz einen Ersatz für den langen Ausdruck „gravitationally completely collapsed object“ suchte und den Vorschlag eines unbekannt gebliebenen Zuhörers aufgriff.
Und jetzt, wo das Ding einen Namen hat, werden wir uns ihm langsam annähern, ganz langsam, damit es uns nicht gefährlich herein zieht, aber anziehend faszinieren darf es schon.
Die Vermutung
Schon 1783 spekulierte der britische Naturforscher John Michell über Dunkle Sterne, deren Gravitation ausreicht, um Licht gefangen zu halten. In einem Brief, der von der Royal Society publiziert wurde, schrieb er:
If the semi-diameter of a sphere of the same density as the Sun were to exceed that of the Sun in the proportion of 500 to 1, a body falling from an infinite height towards it would have acquired at its surface greater velocity than that of light, and consequently supposing light to be attracted by the same force in proportion to its vis inertiae [mass], with other bodies, all light emitted from such a body would be made to return towards it by its own proper gravity. This assumes that light is influenced by gravity in the same way as massive objects.
Zu Deutsch:
„Wenn der Radius einer Kugel von der gleichen Dichte wie die Sonne den der Sonne in einem Verhältnis von 500 zu 1 überstiege, hätte ein Körper, der aus unendlicher Höhe auf sie zu fiele, an ihrer Oberfläche eine höhere Geschwindigkeit als die des Lichts erlangt. Folglich – unter der Annahme, dass Licht von derselben im Verhältnis zu seiner Masse stehenden Kraft angezogen wird wie andere Körper auch – würde alles von einem solchen Körper abgegebene Licht infolge seiner eigenen Gravitation zu ihm zurückkehren. Dies gilt unter der Annahme, dass Licht von der Gravitation in der gleichen Weise beeinflusst wird wie massive Objekte.“
Nachdem Albert Einstein 1915 die Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie aufgestellt hatte, gab der deutsche Astronom Karl Schwarzschild 1916 erstmals eine Metrik an, die Schwarzschild-Metrik, die dem Gravitationsfeld einer punktförmigen Masse entspricht. Die Schwarzschild-Lösung beschreibt Größe und Verhalten eines nichtrotierenden und nicht elektrisch geladenen statischen Schwarzen Lochs mit dem sogenannten Ereignishorizont und einer zentralen Singularität.
Begriffserklärungen:
Der Ereignishorizont ist der Ort um das schwarze Loch herum, ab dessen Abstand ihm nichts mehr entkommen kann.
Die Singularität ist die Mitte des schwarzen Loches, wo die Gravitation unendlich wird und die Gesetze der Physik nicht mehr funktionieren.
Der Radius des Ereignishorizontes wird Schwarzschild-Radius genannt. Seine Größe hängt von der Masse des schwarzen Loches ab.
Würde zum Beispiel die Masse der Sonne zu einer Kugel mit nur drei Kilometer Radius komprimiert, dann könnte von deren Oberfläche kein Lichtstrahl nach außen gelangen. Die Masse unserer Erde würde erst bei einem Radius von unter einem Zentimeter ein Schwarzes Loch bilden.
Robert Oppenheimer wies 1939 zusammen mit Robert Serber und George Michael Volkoff anhand von Modellrechnungen nach, dass beim Kollaps eines großen Sterns ein Schwarzes Loch entstehen sollte.
Im Laufe der nächsten Jahrzehnte wurde die Vermutung zu einer Theorie, mit deren Hilfe man schwarze Löcher sowohl physikalisch als auch mathematisch beschreiben konnte. Auf einige der hieraus resultierenden Eigenschaften schwarzer Löcher werden wir noch etwas näher eingehen. Vieles konnte bereits bis heute bewiesen und beobachtet werden.
Beschreibung schwarzer Löcher
Obwohl z. B. die Relativitätstheorie von Einstein sehr kompliziert ist, lassen sich andererseits schwarze Löcher mathematisch durch ganz wenige Parameter beschreiben. Der Teufel steckt aber hier im Detail, wenn man es genau wissen möchte.
Ein Schwarzes Loch lässt sich durch lediglich drei physikalische Kenngrößen vollständig beschreiben (sogenannte Haarlosigkeit Schwarzer Löcher) genannt. Dies sind
Seine Masse
sein Drehimpuls
und seine elektrische Ladung.
Es gibt also folgende Klassen:
Schwarze Löcher, die keine elektrische Ladung tragen und nicht rotieren, werden durch die Schwarzschild-Metrik beschrieben.
Schwarze Löcher, die keine elektrische Ladung tragen und rotieren, werden durch die Kerr-Metrik beschrieben.
Schwarze Löcher, die elektrisch geladen sind und nicht rotieren, werden durch die Reissner-Nordström-Metrik beschrieben.
Schwarze Löcher, die elektrisch geladen sind und rotieren, werden durch die Kerr-Newman-Metrik beschrieben.
Formell ergibt sich ein Schwarzes Loch aus einer speziellen Vakuumlösung der allgemeinen Relativitätstheorie, der sogenannten Schwarzschild-Lösung (nach Karl Schwarzschild, der diese Lösung als erster fand), bzw. für rotierende und elektrisch geladene Schwarze Löcher aus der Kerr-Newman-Lösung.
Im Innern des Schwarzen Lochs bildet sich, wie Stephen Hawking und Roger Penrose gezeigt haben (Singularitäten-Theorem), im Rahmen der Beschreibung durch die klassische allgemeine Relativitätstheorie eine Singularität, ein Punkt mit unendlich hoher Raumkrümmungund Masse. Allerdings ist hier der Gültigkeitsbereich der allgemeinen Relativitätstheorie überschritten und zur Beschreibung dieses Ortes eine Theorie der Quantengravitation notwendig.
Die Grenze, ab der keine Information mehr zu einem im Unendlichen befindlichen Beobachter gelangen kann, heißt, wie schon erwähnt, Ereignishorizont. Da ein nichtrotierendes Schwarzes Loch von außen gesehen kugelförmig ist, hat der Ereignishorizont die Form einer Kugeloberfläche. Der Radius dieser Kugeloberfläche ist der Schwarzschildradius, von welchem wir ebenfalls schon hörten.
Rotierende schwarze Löcher
Als rotierende Schwarze Löcher werden solche bezeichnet, die einen Eigendrehimpuls besitzen. Wie alle Schwarzen Löcher verursachen auch sie, bedingt durch ihre enorme Gravitation, eine entsprechend große Veränderung der geometrischen Struktur von Raum und Zeit.
Bei einem rotierenden Schwarzen Loch nimmt die Singularität jedoch eine Kreis- oder Ringform an und reißt die Raumzeit um sich herum mit, anstatt sie nur zu krümmen. Der Raum wird in der Drehrichtung des Schwarzen Lochs „mit gedreht“. Diese Art der Raumzeitkrümmung erscheint nicht bei einem ruhenden Schwarzen Loch, sondern tritt bei rotierenden Schwarzen Löchern sozusagen zusätzlich außerhalb des Ereignishorizonts mit der Form eines an den Polen abgeplatteten Rotationsellipsoides auf. Alle Objekte um ein rotierendes Schwarzes Loch werden mitgedreht, eben weil sich auch die Raumzeit selbst mitdreht.
Man darf davon ausgehen, dass quasi alle schwarzen Löcher sich um eine Achse drehen, denn das taten ihre Vorläufersterne schließlich auch. Der Impulserhaltungssatz besagt, dass ihr Drehimpuls auch nach dem Kollaps weitgehend erhalten bleibt. Erinnern wir uns an die schnelle Rotation von Neutronensternen und das Beispiel mit der Eisläufer*in.
Und jetzt kommt etwas, das man nicht wirklich verstehen muss, aber ich finde es faszinierend verrückt und von da her erwähnenswert.
Die Kosmische Zensur
Schwarze Löcher können bei gegebener Masse weder eine beliebig große Ladung noch einen beliebig großen Drehimpuls besitzen. Setzt man nämlich in die entsprechenden Lösungen der allgemeinen Relativitätstheorie eine zu hohe Ladung und/oder einen zu hohen Drehimpuls ein, so ergibt sich statt eines Schwarzen Loches eine sogenannte nackte Singularität. Es bildet sich zwar eine zentrale Singularität aus, jedoch ist diese nicht von einem Ereignishorizont umgeben. Man kann sich das ungefähr so vorstellen, dass durch die Drehung der Raumzeit die einfallende Materie so stark beschleunigt wird (Zentrifugalkraft), dass sie die Gravitation wieder aufhebt. Im Ergebnis gibt es somit keinen Ereignishorizont, da die Materie wieder entkommen könnte. Allerdings kann man zeigen, dass aus einem normalen Schwarzen Loch durch Zufuhr von Ladung oder Drehimpuls keine nackte Singularität entstehen kann, denn die gleichzeitig zugeführte Energie würde seine Masse ausreichend erhöhen, sodass also stets verhindert wird, dass aus dem gewöhnlichen Schwarzen Loch eines mit einer nackten Singularität entsteht. Roger Penrose nannte dies Kosmische Zensur, der Beweis der Nichtexistenz nackter Singularitäten innerhalb der allgemeinen Relativitätstheorie ist aber offen.
Und wenn man doch hinein fallen sollte
Der Ereignishorizont ist kein physisches Gebilde, wie beispielsweise die Erdoberfläche. Er bezeichnet nur einen Ort oder genauer eine Grenzfläche. Ein Beobachter, der durch den Ereignishorizont hindurchfällt, würde daher selbst nichts davon bemerken. Relativistische Effekte (allgemeine Relativitätstheorie) führen aber dazu, dass ein von einem zweiten, weit entfernten Beobachter betrachteter Körper aufgrund der Zeitdilatation unendlich lange braucht, um den Ereignishorizont zu erreichen, wobei er zunehmend in rotverschobenem Licht erscheint und lichtschwächer wird.
Eine andere Theorie besagt, dass man, fiele man mit den Füßen voran in ein schwarzes Loch, buchstäblich spaghettisiert, also in die Länge gezogen und dann zerrissen würde. Im Innern des Ereignishorizontes sollte es sehr hell sein, weil das ganze Licht ja nicht entweichen kann. Vermutlich ist es dort auch sehr heiß. Wahrscheinlich würde man auf jeden Fall zerfetzt und möglicherweise atomisiert oder noch schlimmeres. Lassen wir diese unschönen Vorstellungen, denn von uns wird nie jemand in ein schwarzes Loch fallen.
Ein Irrtum
Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, dass das Gravitationsfeld eines Schwarzen Loches beziehungsweise die von ihm hervorgerufene Krümmung von Raum und Zeit bei üblichen Entfernungen von außerordentlich großer Stärke sei. Da sowohl Schwarze Löcher als auch Sterne von derselben Metrik beschrieben werden, würde sich am Gravitationsfeld im Sonnensystem nichts ändern, wenn man die Sonne durch ein Schwarzes Loch gleicher Masse ersetzte. Abgesehen vom Fehlen des Sonnenlichts wäre lediglich in unmittelbarer Umgebung des Schwarzen Loches (innerhalb etwa des vorherigen Kernradius der Sonne) ein enormer Zuwachs der Gravitationsbeschleunigung festzustellen.
Erinnern wir uns hier an vorige Stationen, wo ich die Zusammenhänge zwischen Masse, der quadratischen Abnahme der Gravitation und der Radien von Himmelskörpern erwähnte.
Schwarze Löcher sind somit keine gefräßigen Monster. Im Grunde sind sie sogar recht harmlos, denn sie sind super klein. In der Unendlichkeit des Universums kann man ihnen somit kaum begegnen und hinein gezogen wird man auch nicht, wenn man etwas Abstand hält, was wir ja in der Pandemie alle gelernt haben.
Eine Wette um ein Paradoxon
Wenn etwas in ein schwarzes Loch hinter den Ereignishorizont fällt, können wir nicht mehr beobachten, was damit geschieht.
Stephen Hawking beschäftigte sich intensiv mit dieser Tatsache.
Anmerkung am Rande:
Ich werde an dieser Stelle ganz bewusst nicht auf Hawking und schon gar nicht auf seine Einschränkung eingehen, weil ich ihn ansonsten auf seine Behinderung reduzieren würde, was auch ich dann und wann leider schmerzhaft bei mir erleben muss. Auf meinem Blog widmete ich ihm einen Artikel zu seinem Todestag.
Eine Hauptfrage war für ihn, was wohl mit der Information dessen geschieht, was in ein schwarzes Loch fällt, also hinter den Ereignishorizont, von dem es kein Zurück mehr gibt.
Mit Information ist hier gemeint, ob man etwas aus einem schwarzen Loch theoretisch wieder retten könnte, oder nicht. Man kann sich das so vorstellen, wie wenn man einen Würfelzucker in den Kaffee wirft. Der Zucker löst sich auf und vermischt sich gleichmäßig mit dem Kaffee. Dass wir den Zucker nicht mehr herausholen können, liegt nur daran, dass wir nicht wissen, wie es geht. Aber grundsätzlich ist der Zucker mit allem, was zu seiner Information gehört, Geschmack, Klebrigkeit, Farbe und Chemie, noch da.
Das ist eine Grundfeste der Physik, der Thermodynamik, dass Information niemals verloren gehen darf.
Jede Mischung strebt ihre maximale Durchmischung, also die beste Verteilung aller in ihr befindlichen Teilchen an. Diese maximale „Unordnung“ wird in der Physik die Entropie genannt und bildet eine der größten Grundfesten der Physik.
Das ganze hat dann auch mit Temperatur zu tun. Schüttet man warmes und kaltes Wasser zusammen, dann durchdringt es sich so lange, bis alle Moleküle, die beider Wässer, dieselbe Temperatur haben.
Daraus folgt dann, dass, wo die Information absolut verloren geht, da gibt es dann auch keine Temperatur mehr. Das ist aber physikalisch unmöglich.
Stephen Hawking vertrat über Jahrzehnte die Meinung, dass schwarze Löcher mit dem es umgebenden Vakuum über virtuelle Teilchen interagieren können und langsam verdampfen (Hawkingstrahlung), und dass die Information verloren ginge, weil diese Strahlung rein thermischer Natur sei, und daher keine Information transportiere, die etwas über die Entstehungsgeschichte des Loches erzählen könnte. Würde die Strahlung die Information dessen, was dereinst hinein fiel, enthalten, dann liefe die Entstehungsgeschichte des Loches rückwärts ab.
Die Möglichkeit, dass schwarze Löcher Information verlieren, wird das Informations-Paradox genannt.
Sein härtester Gegner dürfte der Physiker Leonard Susskind gewesen sein. Er entwickelte eine Theorie, die den Informationsgehalt von allem, was in das schwarze Loch fällt, an den Rand, den Ereignishorizont projeziert, ähnlich, wie ein Projektor ein Dia an eine Leinwand.
Er hat ein Buch über diesen Disput mit Hawking geschrieben. Außerdem war Hawking auch jemand, der gerne mal wettete. Es lief wohl eine Wette darüber, wer diesen “War of Black Wholes” gewinnen würde.
Ich glaube, es wurde um eine Ausgabe der Encyclopedia Britannica gewettet. An anderer Stelle wettete Hawking schon auch mal in seiner humorvollen Art um ein Jahresabonnement des Männermagazins Penthouse.
2004 kapitulierte Hawking, indem er einräumte, dass Information vielleicht doch nicht verloren geht im schwarzen Loch.
Er lies seine damalige Zuhörerschaft, wenn mich nicht alles täuscht, mit einem “aber” zurück, weil er eine Theorie mit Wurmlöchern und weißen Löchern in anderen Universen postulierte. Durch die Wurmlöcher diffundiert die Information des schwarzen Lochs und kommt am anderen Ende, in einem anderen Universum aus einem weißen Loch wieder zum Vorschein. Ob es weitere Universen gibt, ist zwar wahrscheinlich, aber durchaus nicht sicher. Das und die weißen Löcher lässt sich vermutlich nie oder nur schwer beweisen.
Was wir bisher noch gar nicht behandelt haben ist, ob es denn tatsächlich schwarze löcher gibt, ob sie vielleicht nur Objekte in den Gehirnen von Theoretiker*innen sind und wie man, wenn es sie gibt, sie nachweisen kann.
Entdeckung und Nachweise:
Direkt beobachten lassen sich schwarze Löcher nicht, weil sie klein und dunkel sind. Es gibt aber einige Methoden, bis hin zu einem Foto, die indirekt schwarze Löcher nachweisen können und das auch schon erfolgreich getan haben. Leider, bzw. vielleicht auch Gott sei Dank, haben wir keines in unserer unmittelbaren Nähe, das wir genauer untersuchen könnten, bzw. welches uns als unerschöpfliche Energiequelle dienen könnte…
Kinematischer Nachweis
Dabei werden die Bahn und die Geschwindigkeit von Sternen, die das Schwarze Loch umkreisen, als Nachweis herangezogen. Wird eine enorm hohe Masse, die auch noch dunkel und dicht ist, berechnet, so liegt die Vermutung nahe, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelt. Die Vermessung der Bahn des Sterns S2, der Sagittarius A* im Zentrum unserer Milchstraße auf einer Keplerbahn umkreist, erlaubte sehr genaue Aussagen über die Massenkonzentration im Zentralbereich von Sgr A*. Bei einer weiteren kinematischen Methode werden die Dopplerverschiebung und der Abstand zwischen dem dunklen Objekt und dem um ihn kreisenden Stern festgestellt, woraus sich die gravitative Rotverschiebung und sodann die Masse abschätzen lässt.
Eruptiver Nachweis
Sterne, die dem Gezeitenradius eines Schwarzen Lochs zu nahe kommen, können durch die auftretenden Gezeitenkräfte zerrissen werden und dabei eine charakteristische, durch Geräte wie das Nuclear Spectroscopic Telescope Array nachweisbare Röntgenstrahlung freisetzen.
Aberrativer Nachweis
Schwarze Löcher besitzen die Eigenschaft, elektromagnetische Strahlung abzulenken oder zu bündeln, wodurch es möglich ist, sie zu identifizieren. Sollte beispielsweise die Form der elliptischen Bahn eines Sterns verzerrt erscheinen, liegt die Annahme nahe, dass ein Schwarzes Loch zwischen dem Beobachter und dem Stern vorhanden ist.
Obskurativer Nachweis
Durch die Gravitationsrotverschiebung lässt sich eine schwarze Färbung am Rand der Schwarzen Löcher erkennen, da der relativistische Rotverschiebungsfaktor elektromagnetische Wellen beeinflusst und somit die Strahlungen in der Nähe des Ereignishorizonts unterdrückt werden, sodass ein Schwarzes Loch erkennbar wird.
Temporaler Nachweis
Durch eine Analyse der Lichtkurven erkennbare zeitliche Verzerrung (die sogenannte Zeitdilatation), die ein Schwarzes Loch bei Objekten auslöst, die es umkreisen oder sich in der Nähe befinden, ist es möglich, ein Schwarzes Loch als solches zu identifizieren.
Spektroskopie
Wir haben auf der Station über das Licht gelernt, dass Die Krümmung der Raumzeit in der nähe sehr massereicher Objekte Lichtstrahlen verbiegen und umlenken kann. Somit kann ein Schwarzes Loch wie eine Linse auf Objekte wirken die man dahinter beobachtet. Sie erscheinen dann größer, heller und manchmal sogar doppelt.
Diese Linseneffekte und Gravitationsverschiebungen verfremden die Spektren der Sterne, die sich in der Umgebung von Schwarzen Löchern befinden derart, dass sie sich indirekt verraten.
Gravitationswellen
Beschleunigte Schwarze Löcher oder Kollisionen von Schwarzen Löchern können Wellen der Raumzeit hervorrufen, die mit Gravitationswellendetektoren wie LIGO gemessen werden können. Die 2016 von LIGO vorgestellten Beobachtungen der Gravitationswellen aus der Verschmelzung zweier kleinerer Schwarzer Löcher von 29 und 36 Sonnenmassen waren der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen
Über dieses spannende Ereignis schrieb ich in
„Ergänzungen zu Gravitation und Gravitationswellen“
Das erste Foto
Mit Very Long Baseline Interferometry (VLBI) können Radioteleskope eine Auflösung erreichen, die vergleichbar mit dem Radius eines Schwarzen Lochs ist. Damit ist es dem Projekt Event Horizon Telescope gelungen, Bilder der Akkretionsflüsse um das supermassereiche Schwarze Loch M87* im Zentrum der Galaxie Messier 87 aufzuzeichnen und damit erstmals direkte Bilder der Umgebung eines Schwarzen Lochs zu erhalten. Die Vorstellung im April 2019 der Resultate der koordinierten Aktion vom April 2017 gilt als wissenschaftliche Sensation, die es zum Beispiel auf die Titelseite des Nachrichtenmagazins Spiegel brachte. Aufgrund gravitativer und relativistischer Effekte erscheinen die Akkretionsflüsse und Bilder der aufgeheizten Gase in der Umgebung des Schwarzen Lochs als ein Ring, der einen dunklen Bereich – den sogenannten „Schatten“ des Schwarzen Lochs – umschließt. Der Schatten ist eine durch den Gravitationslinseneffekt vergrößerte Abbildung des Bereichs, der durch den Ereignishorizont begrenzt ist. Er ist auf linearem Maßstab bis zu fünfmal größer als der Ereignishorizont und wird durch den Photonenorbit begrenzt, auf dem Licht um das Schwarze Loch zirkuliert und bei kleinen Störungen entweder im Schwarzen Loch verschwindet oder nach außen dringt. Die Aufnahmen erlauben durch Vergleich mit Computersimulationen Rückschlüsse auf die Masse und die Rotation des Schwarzen Lochs, bisher aber noch nicht auf den Drehimpuls. Nach dem bisherigen Stand der Technik ist nur der Schatten der supermassereichen Schwarzen Löcher in M87 und Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße so groß, dass sie mit dem EHT beobachtbar sind. Das EHT hat auch Aufnahmen von Sagittarius A gemacht, die aber aufgrund der viel dynamischeren Natur von Sagittarius A undeutlicher sind und demnächst vorgestellt werden sollen
Beispiele bekannter Schwarzer Löcher
Sagittarius A* ist das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße. Seit 1992 wird seine Umgebung vor allem im infraroten Bereich von einem Team von Astronomen untersucht. Dabei wurden die Umlaufbahnen und die Geschwindigkeiten von 28 Sternen vermessen. Eingesetzt wurden Nah-Infrarot-Kameras mit adaptiver Optik beim Very Large Telescope in Cerro Paranal in Chile, der bildgebende Spektrograph Sinfoni, die Speckle-Abbildungskamera SHARP I und andere Instrumente der europäischen Südsternwarte. Außerdem wurden Beobachtungen des Keck-Teleskops auf Hawaiʻi, des New Technology Teleskops sowie Aufnahmen des Hubble-Teleskops ausgewertet.
Die Untersuchungen zeigten, dass die zentrale Masse nur durch ein Schwarzes Loch erklärt werden kann und dass circa 95 % der gesamten Masse im beobachteten Sektor sich in diesem Schwarzen Loch befinden muss. Die Vermessung der Infrarot- und Röntgenemission in der Akkretionszone deutet darauf hin, dass das Schwarze Loch einen hohen Drehimpuls aufweist.
Neben dem vermuteten zentralen Schwarzen Loch in unserer Galaxie, nämlich Sagittarius A* mit ca. 4,3 Millionen Sonnenmassen, gibt es eine Reihe weiterer vermuteter kleiner Schwarzer Löcher, die in der Milchstraße verteilt sind und eine Masse von einigen wenigen bis einem Dutzend Sonnenmassen aufweisen. Sie alle sind Bestandteile von Doppel- oder Mehrfachsternsystemen, ziehen von ihrem Partner scheinbar in einer Akkretionsscheibe Materie ab und strahlen im Röntgenbereich, weil diese Materie derart durch gegenseitige Reibung aufgeheizt wird.
Neueste Forschungsergebnisse zeigen, dass sich in der Sternengruppe IRS 13, die nur drei Lichtjahre von Sgr A* entfernt liegt, ein zweites Schwarzes Loch mit vergleichsweise geringen 1300 Sonnenmassen befindet. Es ist derzeit nicht geklärt, ob es sich in Zukunft mit Sgr A* vereinigen wird, ob es sich auf einer stabilen Umlaufbahn befindet oder sich sogar von ihm entfernt.
Im Januar 2005 wurden mit dem Röntgenteleskop Chandra Helligkeitsausbrüche in der Nähe von Sgr A* beobachtet, die darauf schließen lassen, dass sich im Umkreis von etwa 70 Lichtjahren 10.000 bis 20.000 kleinere Schwarze Löcher befinden, die das supermassereiche zentrale Schwarze Loch in Sgr A* umkreisen. Einer Theorie zufolge sollen diese das zentrale Schwarze Loch in regelmäßigen Abständen mit Sternen aus der Umgebung „füttern“.
Das bisher erdnächste bekannte Schwarze Loch gehört zusammen mit zwei mit bloßem Auge sichtbaren Sternen zum Mehrfachsystem HR 6819 im Sternbild Teleskop und ist rund 1000 Lichtjahre entfernt. Es hat mindestens vierfache Sonnenmasse. Einer der Begleitsterne umkreist das Schwarze Loch in 40 Tagen.
Schwarze Löcher in Film und Literatur
Schwarze Löcher werden in der Science-Fiction-Literatur oft als mögliches Mittel zum überlichtschnellen Transport, so etwa in Stanisław Lems Roman Fiasko, bzw. als ultimative Möglichkeit der Energiegewinnung dargestellt, wie bspw. in der Fernsehserie Stargate.
Der Film „Das schwarze Loch“ von 1979 – mit Maximilian Schell und Anthony Perkins in den Hauptrollen –, der unter anderem die starke Gravitationskraft Schwarzer Löcher thematisiert, wurde 1980 für zwei Oscars nominiert. Der Film Interstellar aus dem Jahr 2014 von Regisseur Christopher Nolan beinhaltet ebenfalls die Thematiken vom Schwarzen Loch und seinen Gravitationskräften. In der Fernsehserie Andromeda gerät das Raumschiff Andromeda Ascendant nahe an den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs, wodurch Schiff und Besatzung aufgrund der Zeitdilatation bis zur Bergung und damit für 300 Jahre in der Zeit einfrieren.
Abspann
so, liebe Mitlesenden. Wie schon gesagt, geht diese Reise an dieser Stelle langsam zu Ende. Für mich war es das erste mal, dass ich aus einem Vortrag eine so umfangreiche Serie entrollte. Mir hat das sehr viel Freude bereitet. Ich hoffe, euch auch. Nun werde ich mich wieder anderer Themen und Baustellen auf dem Blog widmen. So ist beispielsweise unter der Rubrik „Der Sonne entgegen“ längst noch nicht alles über diesen einen Stern von dem wir leben, gesagt.
Ich bin selbst immer wieder darauf gespannt, wo hin mich meine Gedanken und Geschichten führen.
Ich würde mich freuen,
wenn ihr mir auf diesem Blog verbunden bleibt,
wenn ihr vielleicht mal den ein oder anderen Artikel kommentiert,
wenn ihr Fragen stellt,
wenn ihr berichtigt, wenn ich quatsch erzähle
und wenn ihr den Blog mit anderen Menschen teilt, die so etwas interessieren könnte.
Und wer jetzt schade findet, dass die Serie endet, kann den Blog ja gerne über den Newsfeed oder per Mail folgen. Dann wird niemandem mehr etwas entgehen, denn es wird weiterhin Artikel und möglicherweise auch andere Serien von mir geben.
