Kategorie: Der Sonne entgegen

Mensagespräche


Meine lieben,

heute geht es um etwas, worüber sich einige Nerds und ich neulich in der Mensa unterhielten.
Der Gegenstand von heute ist sehr flüchtig und kommt bei uns auf der Erde eher selten vor. Kommt es frei, dann haut es sofort ins Weltall ab. Obwohl es das zweithäufigste im Universum ist, ist es hier selten und kostbar.

Wir füllen es in Luftballons, die dann in die Höhe steigen und atmen es ein, damit wir wie die Mickymaus sprechen können.
Nicht zuletzt kühlen wir damit um die Wette, um möglichst nahe an den absoluten Nullpunkt von -273 Grad heran zu kommen, 0 Kelvin also.
Na klar. Ihr habt es längst erraten, dass es um Helium gehen wird.
Also los.

Die Entdeckung

Es ist kaum mehr als einhundert Jahre her, als die Wissenschaft noch davon ausging, dass die Sonne ähnlich aufgebaut sei, als unsere Erde. Nun ja. Immerhin zeigen sich im Sonnenspektrum auch viele Linien bekannter Elemente.
Erst eine Frau, mit Namen Cecilia Payne, räumte damit auf und erklärte uns den Sonnenstoff.
Ich schrieb darüber zum Weltfrauentag 2022 und in meinem Adventskalender in
Die Frau mit dem Sonnenstoff
Sie fand heraus, dass Sterne im wesentlichen aus Wasserstoff und Helium bestehen, und sich somit grundlegend vom Aufbau der Erde unterscheiden.
Also mich verblüfft das sehr, dass man etwas entdecken kann, obwohl man nicht vor Ort ist. Genau so ist das mit dem Helium passiert. Der Name sagt es ja schon. Helium heißt so, weil es eben nicht zuerst auf der Erde, sondern auf der Sonne entdeckt wurde.

Die Entdeckung des Heliums führt uns nach Indien in das Jahr 1868. Dort bewegte sich am 18.08. der Kernschatten einer Sonnenfinsternis über die indische und die malaiische Halbinsel.
Das wollten sich vor allem zwei Astronomen nicht entgehen lassen.

Den einen haben wir schon mal kennengelernt in Ein Sonnenforscher, eine Finsternis und ein Latenzaun
Der Astronom und Fotograf Pierre Jules César Janssen nahm also die beschwerliche Reise auf sich, um von Guntur in Indien aus diese Finsternis zu beobachten und zu fotografieren.
Als nach kurzer Zeit die Sonne wieder hinter der Mondscheibe hervortrat und die Protuberanzen verblassten, soll Janssen ausgerufen haben:
„Diese Linien will ich auch außerhalb der Finsternisse beobachten.“
Und was macht er danach? Er erfindet mal eben den Heliospektrographen.
Damit kann man Sonnenfinsternis auch am Tag und auf der ganzen Sonnenoberfläche erleben.

Den anderen der zwei, hätte diese Reise beinahe sein Leben gekostet.
Joseph Norman Lockyer schiffte sich auf der Psyche ein, um zum Ort des Geschehens zu gelangen. Leider erlitt er mit diesem Schiff Schiffbruch. Er wurde aber irgendwie gerettet, und erreichte mit knapper Not noch sein Ziel.
Ich habe mal irgendwo gelesen, dass er gerade noch drei Sekunden Finsternis beobachten konnte.

Ja, es war schon gefährlich, damals ein Finsternisjäger zu sein. Je nach dem, wo sie stattfindet, ist das bis heute so. Seereisen mögen sicherer geworden sein, und viele Orte kann man per Flugzeug erreichen, aber oft fallen die Finsternisse dort hin, wo einem Krokodile oder Schlangen in die Füße beißen können…

Aber nichts für ungut, fanden beide unabhängig voneinander eine gelbe Linie im Sonnenspektrum, die bisher noch keinem Element auf der Erde zugeordnet werden konnte. Es musste sich also um einen Stoff handeln, den es scheinbar nur auf der Sonne zu geben schien. Grund genug, ihn Helium zu nennen.

Das ist doch absurd. Da versteckt sich unser Heimatstern mal kurz hinter dem Mond, und die beiden finden die gelbe Spektrallinie des Heliums.

Zum Glück passt eben nur der hell leuchtende mittlere Teil der Sonne hinter den Mond, so dass die spannende Korona noch seitlich hervorluggt. Zumindest bei totalen Finsternissen ist das so.
Somit war Helium das erste Element, das nicht zuerst auf Erden entdeckt wurde.
Es dauerte noch ungefähr dreißig Jahre, bis man es auch auf der Erde fand.

Der schottische Chemiker William Ramsay suchte in einem Mineral namens Cleveit (ein Uranerz) nach Argon.
Stattdessen fand er ein Gas mit genau jener geheimnisvollen gelben Spektrallinie – es war das Sonnen-Helium!
Kurz darauf bestätigten die schwedischen Forscher Per Teodor Cleve und Nils Abraham Langlet die Beobachtung und isolierten größere Mengen.

Was ist Helium?

  • Helium ist ein besonderes Element: Es ist ein sogenanntes Edelgas und gleichzeitig das zweitleichteste chemische Element nach Wasserstoff.
  • Ein Edelgas geht mit nichts chemische Reaktionen ein.
  • Es besteht in seinem Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen, der von zwei Elektronen umgeben ist.
  • Es kann nicht wie viele andere Stoffe durch chemische Prozesse hergestellt werden, da es sich um ein reines Atom handelt und nicht um eine Verbindung, die man mischen könnte.
  • Es kommt chemisch quasi einzeln vor, wobei sich die nicht edlen Gase mit ihresgleichen verbinden, wenn sich nichts besseres findet, z. B.
    Wasserstoff als H2,
    Sauerstoff als O2
    Stickstoff als N2
    und Helium eben alleine als He. Das hat zur Folge, dass man es sogar noch schlechter einsperren kann, als Wasserstoff, weil es alleine überall durchrutschen kann.

Das vorhin erwähnte Argon ist übrigens ebenfalls ein Edelgas. Es ist aber deutlich schwerer als Helium. Wenn man das einatmet, dann klingt man tiefer. Da Argon schwerer als Luft ist, muss man nach so einer Aktion einen Kopfstand machen, damit das schwere Gas wieder aus einem herausfallen kann, um wieder Platz für normale Luft in der Lunge zu schaffen.
Bitte besser nicht versuchen. Man könnte dabei ersticken.
Aber zurück zu unserem Sonnenstoff.

Natürliche Entstehung

Helium entsteht hauptsächlich im Inneren von Sternen durch Kernfusion: Wasserstoffkerne (Protonen) verschmelzen zu Helium. Dieser Prozess liefert uns die Energie der Sonne, den wir gerne hier auf Erden nachstellen würden.

Auf der Erde entsteht Helium bei radioaktivem Zerfall schwerer Elemente (z. B. Uran, Thorium). Dabei werden Alphateilchen frei, die im Prinzip Helium-4-Kerne sind. Diese sammeln sich in Gesteinen und reichern sich in Erdgaslagerstätten an. Deshalb wird fast das gesamte Helium, das wir nutzen, aus Erdgas gewonnen.

Künstliche Herstellung

Helium lässt sich, wie gesagt, nicht künstlich herstellen. Man kann es nur gewinnen und abscheiden. Das ist und bleibt zumindest so lange der Fall, bis es uns vielleicht eines Tages doch gelingt, das Sternenfeuer hier auf Erden in einem Kernfusionsreaktor zu zünden und am Leben zu halten. Die magische Zahl, des Versprechens lauten schon mindestens seit fünfzig Jahren, „fünfzig“, dann ist es so weit.

In Kernreaktoren, wo Alpha-Teilchen, also Heliumkerne entstehen, kann man es eventuell auch erzeugen. Aber wer will so radioaktives Zeugs.
Helium künstlich zu gewinnen lohnt sich nicht, weil die Mengen verschwindend klein und die Verfahren extrem teuer sind.
Deshalb nutzt man weiterhin das Helium, das in Erdgasvorkommen gebunden ist.

Es ist in Erdgasen nur in Spuren (0,1–7 %) enthalten, aber weil es extrem leicht und nicht brennbar ist, kann man es durch Trennverfahren isolieren.
Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan (CH₄), dazu Ethan, Propan, Stickstoff usw.
Wenn man das Gasgemisch sehr stark abkühlt und unter Druck setzt (Tiefkühlung, „Kryogene Destillation“), werden fast alle Komponenten flüssig – außer Helium, weil es den niedrigsten Siedepunkt hat (−269 °C).
Helium bleibt also gasförmig übrig, während Methan und Co. schon verflüssigt sind.
Danach wird es durch mehrfache Reinigungsschritte (z. B. Aktivkohle, Membranen, Druckwechsel-Adsorption) von Spuren anderer Gase (v. a. Stickstoff, Neon, Wasserstoff) getrennt.
Am Ende erhält man Rohhelium mit ca. 70–80 % Reinheit.
Dieses wird dann noch weiter verflüssigt oder durch spezielle Adsorptionsverfahren auf über 99,999 % Reinheit gebracht, wie es für Labor, Medizin und Raumfahrt gebraucht wird.

Besonderheiten dieses Elements

Jedes andere Gas wird bei genügend tiefer Temperatur von selbst fest.
Helium aber bleibt bei Normaldruck bis zum absoluten Nullpunkt (0 K) flüssig. Ganz nebenbei. Den absoluten Nullpunkt kann man nicht erreichen, aber fast…
Erst wenn man Druck anlegt (ca. 25 bar bei Helium-4), kristallisiert es zu einem Festkörper.
Der Grund dafür sind quantenmechanische effekte.
Helium-Atome sind extrem leicht.
Die Bindungskräfte zwischen ihnen (Van-der-Waals-Kräfte) sind sehr schwach.
Bei tiefer Temperatur würden sie sich zwar normalerweise aneinander „festklammern“, aber:
Wegen ihrer geringen Masse haben die Atome eine hohe Nullpunktsbewegung (Quantenschwankung, die auch bei 0 K nicht verschwindet).
Diese Bewegung ist stärker als die Anziehungskräfte → die Atome können sich nicht an feste Plätze „binden“.
Helium bleibt also flüssig, wenn man keinen Druck anlegt.
Kühlt man Helium Unter 2,17 K (bei Helium-4) passiert dann etwas Magisches: Helium wird superfluid.
Es Fließt ohne Reibung durch feinste Röhrchen.
Es bildet dünne Filme, die Wände hochkriechen.
Es ann Wärmetransport extrem effizient übernehmen, wieso es als Kühlmitten eingesetzt wird, wo sehr tiefe Temperaturen gebraucht werden.
So wird beispielsweise eine Infrarot-Kamera unseres Web-Space-Teleskop mit Helium gekühlt, weil sie ansonsten zu warm wäre, um die Infrarotstrahlung messen zu können. Sie wäre dann dafür blind. Supraleitende Magnete, z. B. die im LHC im Zern, oder in Kernspintomographen kühlt man so weit herunter, bis das Material, aus welchem sie gemacht sind, seinen Widerstand gegen Strom aufgibt, und supraleitend wird. Damit kann man dann so starke Magnetfelder erzeugen, wie das mit nicht-supraleitenden Spuhlen, z. B. gewickelt aus Kupferdraht, niemals möglich ist.

Wenn man Helium einatmet (bitte nur ganz kurz und in sicherer Umgebung!), verändert sich die Stimme.
Der Grund ist nicht, dass die Stimmbänder schneller schwingen, sondern dass Helium viel leichter als Luft ist.
Die Schallgeschwindigkeit hängt von der Dichte des Gases ab:
In Luft: ca. 343 m/s
In Helium: ca. 970 m/s
Die Resonanzräume im Mund und Rachen klingen dadurch höher, weil die Resonanzfrequenzen steigen.
Das ist ein reiner akustischer Effekt, kein biologischer.

Fazit

Helium ist nicht nur im chemischen Sinne edel, sondern auch deshalb, weil es selten und wertvoll ist.

Vor allem seine Kühleigenschaften sind für uns Menschen unverzichtbar geworden. Magnetspintomographen, die in der Medizin verwendet werden, kühlt man gerne mal mit Helium oder Stickstoff.

Bis heute wird um die Wette gekühlt. Da fällt mir der Physiker Wolfgang Ketterle ein. Der war so eifrig dabei, dass er sich ein Feldbett in sein Büro stellte, denn auch er konnte jetzt nicht zu Bett gehen, wenn seine Kollegen und Mitarbeiter um die Wette kühlten.
So etwas nenne ich Beharrlichkeit…

Zum Schluss stelle ich in den Raum, dass es vielleicht nicht die beste Idee ist, unser kostbares Helium in Luftballons zu füllen, die sicher platzen, und somit das Helium in den Weltraum entlassen, weil es so leicht ist, dass unsere Erde es nicht daran hindern kann, zu entfliehen. Wir werden für unsere neuen Technologien, wie z. B. Quantencomputer und die Energiewende viel mehr Helium benötigen, als bisher.

Das Geheimnis des Regenbogens


Meine lieben,
erst mal vielen Dank für eure Rückmeldungen und Kommentare zu meinen Alemannischen Astronomen und natürlich auch zu meinem etwas untypischen Artikel Unter Uns.

Es haben mich jetzt doch einige Fragen zu den Entdeckungen meiner alemannischen Astronomen erreicht. Deshalb greife ich heute nochmal den Balmer auf, und was er gefunden hat. Und keine Sorge, der etwas exzentrische Zwicky soll auch nochmal dran kommen.
Ja, es ist eben etwas ganz besonderes, wenn man nach so vielen Jahren den ersten Auftritt in der Geburtsstadt hat, und die ganze Familie kommt. Damit ist man in einem Artikel noch nicht fertig.
Fangen wir also mal mit Balmer und seiner Formel an. Keine Angst, es wird nicht sehr mathematisch werden. Ich kenn euch doch.

Farben des Lichts

Das farbige Spektrum z. B. das, des Sonnenlichts, entsteht immer dann, wenn es in seine Farben aufgefechert wird.
Lässt man Licht durch ein Prisma, ein Fraunhofergitter mit sehr schmalen Linien, durch eine Regenwand als Regenbogen oder auf eine CD fallen, kann man die bunden Farben des an sich weißen Sonnenlichtes erkennen.
Das Licht sortiert sich zu einem Spektrum (Farbband) weil Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich stark abgelenkt wird.

Im Falle des Regenbogens muss das weiße Sonnenlicht ähnlich, wie bei einem Prisma durch die Regentropfen hindurch und wird so aufgespalten.
Wir kommen nachher nochmal auf ihn zurück.

Das Lichtwunder

Ein halbes Jahrhundert vor Balmer stand ein junger Glasmacher am Okular eines Teleskops. Joseph von Fraunhofer, ein bayerischer Waisenjunge, der sich mit harter Arbeit zum Optiker und Physiker hochgearbeitet hatte, beobachtete das Sonnenlicht durch ein Prisma. Was er sah, ließ ihn erstarren.

„Was zum Kuckuck… da sind dunkle Streifen im Regenbogen!“,

rief er.

Es waren hunderte, ja tausende dunkle Linien – wie kleine Risse im Farbspektrum. Niemand konnte erklären, warum sie da waren. Fraunhofer katalogisierte sie akribisch, gab ihnen Buchstaben, doch er ahnte nicht, dass er damit die Sprache des Universums aufgeschlagen hatte. Er starb früh, doch seine Linien lebten weiter.

Dann, in Heidelberg, einige Jahre später, brodelte es – wortwörtlich. Robert Bunsen, der mit seinem Assistenten Gustav Kirchhoff am Spektroskop arbeitete, hatte mit Hilfe seines neu erfundenen Gasbrenners herausgefunden, dass jedes chemische Element ganz eigene, bunte Linien ins Spektrum malte. Bunsen, ein Mann mit feinem Schnauzer und wachem Geist, hielt triumphierend ein Glasröhrchen in die Flamme.

„Schau, Gustav! Natrium – immer zwei gelbe Linien. Wie die Fensterläden bei meim Elternhaus!“

Sie erkannten, dass man mit dem Licht die chemische Zusammensetzung erkennen konnte – selbst von Dingen, die man nie anfassen würde.
Nun hatte man also das Werkzeug, die Spektralanalyse in der Hand, mit welchem man Dinge entdecken konnte, ohne dort gewesen zu sein, z. B. das Helium der Sonne. Dies ist aber mal eine eigene Geschichte wert.

Doch die Krönung dieser Reise sollte noch folgen – durch eine Frau, die sich gegen alle Widerstände durchsetzte. Ihr Name: Cecilia Payne. Eine junge Engländerin, die 1925 in Harvard promovierte – als erste Frau, und gleich mit einer Arbeit, die alles veränderte.

Sie hatte das Licht der Sterne durch Spektren analysiert und erkannte, dass sie vor allem aus Wasserstoff und Helium bestanden. Die damalige Wissenschaft hielt das für unmöglich – man glaubte, die Sonne müsse aus denselben schweren Elementen bestehen wie die Erde.

Doch Cecilia ließ sich nicht beirren. Ihre Formeln, ihre Logik, ihre klare Sicht auf das Licht überzeugten später selbst den größten Kritiker: Henry Norris Russell musste eingestehen, dass sie recht gehabt hatte. Damit hatte sie das wahre Wesen der Sterne enthüllt – nicht durch Teleskope, sondern durch Mathematik und Licht.
Das muss man sich mal vorstellen. Mit diesem chemischen Fingerabdruck lassen sich Dinge erforschen, ohne dort hin zu gehen. Sie müssen halt nur leuchten.

Neben der Tatsache, dass Sterne fast nur aus Wasserstoff und Helium bestehen, weiß man heute, dass in Spuren auch fast alle anderen Elemente in der Sonne vorkommen. Die hat sie sich bei ihrer Entstehung einverleibt, weil es vor ihr schon Sterne gab, die in Supernova-Explosionen diese schweren Elemente erzeugten und ins All geblasen haben.

Jedes chemische Element und Molekül besitzt sein eigenes Spektrum, sein eigenes farbiges Band, seine eigene Melodie, wenn man so will, wenn man es zum leuchten, z. B. durch Erhitzung anregt.
Es besitzt also einen ganz ihm eigenen Barcode, bestehend aus hellen und dunklen Linien oder Rissen im Farbspektrum.

Warum?
Weil in jedem Atom die Elektronen nur bestimmte Energiestufen einnehmen können. Wenn sie angeregt werden – zum Beispiel durch Hitze oder Licht –, springen sie auf eine höhere Stufe. Beim Zurückfallen senden sie Licht aus – aber nur in ganz bestimmten Farben. Diese Farben erscheinen im Spektrum als Linien. Für jedes Element anders. So erkennt man Natrium an zwei gelben Linien, Wasserstoff an mehreren Linien im blauen und roten Bereich, und Helium – wie Bunsen und Kirchhoff es entdeckten – an einer besonderen gelben Linie, die vorher unbekannt war.

Balmers Entdeckung

Also war das mit den Wasserstofflinien Balmer schon bekannt.
Bevor ich euch beschreibe, was der Alemanne sah, und wir seine Formel kennenlernen, hier noch etwas zum Verständnis.

Zur Beschreibung einer Welle benötigt man ihre Frequenz und ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit. Diese kennen wir für elektromagnetische Wellen, also Licht, im Vakuum genau. Licht breitet sich dort mit einer Geschwindigkeit von 300000 Kilometer pro Sekunde aus. Die Frequenz gibt an, wie oft eine Welle pro Zeiteinheit, z. B. einer Sekunde hin und her schwingt. Sie wird in Herz, oder dessen Vielfachen, z. B. Kiloherz oder Megaherz angegeben. Aus all dem kann man nun berechnen, wie weit sich eine Welle während einer kompletten Schwingung in ihrem Medium ausgebreitet hat. Unsere Lichtwellen schwingen so schnell, dass man ihre Ausbreitung in Nanometern angeben muss, um nicht so kleine Zahlen hinter dem Komma zu erhalten.

Beobachtet man also bis zum leuchten erhitzten Wasserstoff durch ein Prisma oder Fraunhofergitter, dann sieht man folgendes:

  • Bei 656 nm ein kräftiger roter „Ton“
  • Ein wenig weiter rechts, bei 486 nm, ein grünlich-blauer Akzent
  • Dann bei 434 nm ein schwächeres Blau
  • Schließlich bei etwa 410 nm ein zartes Violett

Je weiter man geht, desto enger und blasser werden die Linien, bis sie im Ultravioletten verschwinden.
Diese Linien sind wie Schritte auf einer Treppe des Lichts, wobei jede Linie für einen Quantensprung eines Elektrons steht.
Stellte man sie so akustisch da, dann lägen die Töne sehr nah beieinander. Aber wenn man das ganze etwas dehnte, dann wären die Klänge sicher gut zu unterscheiden.

Die Balmer-Serie endet dann bei einer minimalen Wellenlänge, der sogenannten Balmer-Grenze:
Diese liegt im Ultraviolett – also außerhalb des sichtbaren Bereichs.

Balmers Formel

In Balmers Formel geht es darum, das Spektrum des Wasserstoffs mathematisch zu erklären, also ohne Beobachtung im voraus zu berechnen.

Die Balmer-Formel beschreibt die Wellenlängen des sichtbaren Lichts, das von angeregtem Wasserstoffgas ausgestrahlt wird, wenn Elektronen auf die zweite Schale (n = 2) zurückfallen. Die dabei entstehenden Spektrallinien bilden die sogenannte Balmer-Serie.
Wie das genau funktioniert, erspare ich uns an dieser Stelle, weil wir dazu sogar in die Quantenphysik hinein müssten.

Im sichtbaren Bereich des Wasserstoffatom-Spektrums lassen sich vier Linien beobachten, deren Abstände voneinander mit abnehmender Wellenlänge kleiner werden. Sie werden, beginnend mit der größten Wellenlänge, als H‑α (H‑alpha), H‑β, H‑γ und H‑δ bezeichnet. Ihre Wellenlängen

Balmer nun war davon überzeugt, dass wenn man verschiedene Eigenschaften kennt, z. B. Temperatur, Frequenz etc, dann sollten sich doch diese Lücken auch mathematisch „voraussagen“ lassen. Er wollte wissen, wieso beim Wasserstoff das Spektrum genau so ist, wie es ist.
Wer nun die Formel genau studieren möchte, den darf ich auf den Artikel dazu bei Wikipedia verweisen. Dort wird sie gut und mathematisch erklärt.
Für all jene, welche Formeln in LaTeX lesen können, rate ich, unten auf der Seide in die mobile Ansicht umzuschalten. Dann seht ihr sie im LaTeX-Code.
Andernfalls hängt die Lesbarkeit stark davon ab, was euer Bildschirmleser mathematisch so drauf hat..
https://de.wikipedia.org/wiki/Balmer-Serie

Epilog

So kam es, dass ein Alemann mit Zahlen, ein bayerischer Glasmacher, ein Heidelberger Feuergeist und eine mutige Frau aus England zusammen über Zeit und Raum hinweg das Universum entschlüsselten.
Das Licht der Sterne ist kein bloßes Leuchten – es ist eine Nachricht. In seinen Farben liegt ein Geheimcode, geschrieben in Linien, die von jedem Element anders gezeichnet sind. Das Spektrum ist der Regenbogen des Universums. Und jedes Atom malt darin seine Signatur.

Wer also heute einen Sonnenstrahl durch ein Prisma fallen lässt, der sieht mehr als nur Farben. Er sieht eine uralte Geschichte – von Feuer, von Zahlen, von Mut und Erkenntnis. Und vielleicht flüstert dann der Wind auf Alemannisch:

D’Liecht isch meh als Liecht – es isch dr Klang vom Kosmos, gschriebe mit Farbe!

„Licht ist mehr. Licht ist der Klang des Kosmos, geschrieben mit Farben.“

Zu guter letzt

Hier zum Schluss noch eine Beschreibung eines Regenbogens und ein Gedicht von einer lieben Mitleserin:
Beschreibung:

im Vordergrund bzw dem unteren Drittel: Wiese, Häuser, Bäume, Bildmitte Regenbogen, der fast über den ganzen Himmel geht (nahezu vollständiger Halbkreis also), Drüber Wolken. Mit bloßem Auge (auf dem Foto leider nicht erkennbar) konnte man den spiegelbildlichen „Zwilling“ sehen – außen rot, innen blau der Zwilling mit noch außen blau war zu erkennen (gelb und rot nicht mehr). Aber so selten Regenbogen sind – mit „Doppel“ noch weniger hat mich das extrem begeistert. Hätte jetzt gerne ein passendes Musikstück für dich das mindestens Majestätisch, mit der großen Pauke und ausdrucksstark daher kommt…

Nun nimmt sie Bezug auf unseren Sternenwanderer, der unsere Radiosphären durchkreuzt, Siehe Artikel zu Ostern 2025.

Eigentlich sollten wir unserem Freund, dem Sternenwanderer, echt von dieser Naturschönheit des Regenbogens erzählen.

Und nun teilt sie noch ein Gedicht das sie in der ersten Klasse gelernt und bis heute behalten hat.

Der Regenbogen
von Ruth Hassel.

Ein Regenbogen, komm und schau
rot und orange, gelb grün und blau
So herrliche Farben
kann keiner bezahlen
ihn über den halben Himmel zu malen.
Ihn malte die Sonne
mit Goldener Hand
auf eine wandernde Regenwand.

Ich kann unsere Mitleserin und euch an dieser Stelle trösten. Es ist sicher, dass die Schönheit eines Regenbogens durch Ton und Bild auch schon durch unsere Radiosphären zu unserem Wanderer gelangt ist. Hoffen wir, dass er ihn zwischen all dem anderen Getöse findet…

Ein kleines Land mit großer Wirkung


meine lieben,
was macht ein Sternenonkel in einem fremden Land, einer frenden Stadt und in einem Hotelzimmer, wo er keinen Schlaf findet? Genau. Er beginnt darüber nachzudenken, was es astronomisches an dem Ort gibt, wo er sich gerade befindet.

wie sagt das Sprichwort so schön?

Und wenn man eine Reise tut, dann kann man was erzählen.

Nach langer Zeit, bin ich mal wieder auf einer dreitägigen Konferenz in Amsterdam. Dort geht es um alles rund um tastbare Grafiken, Blindenschrift und neue Technologien dazu. Ich habe u. A. einen sprechenden großen Wagen im Rucksack. Wer mal zu mir in meine Vorträge kommt, kann ihn mal erleben. Für jetzt habe ich mich darauf verlegt, mal zusammen zu tragen, was dem Sternenonkel an fremden Orten in einer schlaflosen Nacht so alles einfallen kann.
was das kleine Ländchen Niederlande so in Sachen Astronomie zu bieten hat. Und schnallt euch an. Das ist nicht wenig, und bestimmt habe ich auch noch einiges vergessen.
Also los:

Vorwort

Die Niederlande – ein kleines Land mit großer Geschichte, besonders wenn es um das Verstehen der Welt und des Himmels geht. Kaum ein anderer Ort hat in den letzten Jahrhunderten so viele Denker, Bastler, Philosophen und Sternengucker hervorgebracht, die in enger Beziehung zueinander standen. Hier treffen sich Astronomie, Navigation, Optik und Geist – eine faszinierende Mischung.

Der neue Weitblick

Um 1608 soll ein Brillenmacher aus Middelburg namens Hans Lipperhey das erste Fernrohr gebaut haben. Ob er tatsächlich der Erste war, darüber streitet sich die Fachwelt. Doch fest steht: Das Prinzip des Fernrohrs wurde in den Niederlanden geboren – und es veränderte alles.

Wenig später richtete Galilei ein verbessertes Modell gen Himmel.
Er entdeckte damit Sonnenflecken, die vier Jupitermonde Europa, Ganimet, Kalisto und IO, das unser Mond Krater besitzt, welche er Meere nannte und dass das Kopernikanische Weltbild stimmen muss.
aber der Impuls und das Instrument dazu kamen von niederländischem Boden. Ohne diese bescheidene Linse hätten wir vielleicht viel später in die Krater des Mondes und in die Ringe des Saturn geschaut.

Straßen, Wellen und Monde

Christian Huygens war das niederländische Universalgenie des 17. Jahrhunderts:. Mit einem selbstgebauten Fernrohr entdeckte er 1655 den größten Mond des Saturn, Titan. Er erkannte die wahre Natur der Saturnringe – kein fester Ring, sondern ein System aus zahllosen Partikeln.

Doch Huygens war nicht nur Himmelsbeobachter. Mit seiner Wellentheorie des Lichts legte er den Grundstein für unser modernes Verständnis von Optik. Und seine Erfindung der Pendeluhr revolutionierte die Zeitmessung – ein entscheidender Fortschritt für Astronomie und Navigation.

Orientierung auf hoher See

Im sogenannten Goldenen Zeitalter eroberten niederländische Schiffe die Weltmeere. Doch ohne Orientierung am Sternenhimmel wäre das gar nicht möglich gewesen. Navigiert wurde mit Jakobsstab, Sextant, Astrolabium – und später, dank präziser Uhren, auch mit Längengradberechnung.

Zwar war es John Harrison, der später mit seinem Chronometer wirklich schiffstaugliche Uhren baute, doch Huygens war der erste, der eine grundsätzlich seetaugliche Uhr mit Federantrieb entwarf. Ich schrieb dazu bereits in meinem Beitrag
Ein Uhrmacher revolutioniert die Seefahrt

Weldkarten

Die Kartografie florierte parallel zur Seefahrt:

  • Gerardus Mercator entwickelte die nach ihm benannte Mercator-Projektion, die Kurslinien zu Geraden machte – ein Meilenstein für die Navigation.
  • Willem Blaeu, Schüler von Tycho Brahe, wurde Hofkartograf der VOC. Er erstellte prächtige Stern- und Seekarten, die bis heute beeindrucken.

Die niederländischen Kartografen verschmolzen Wissenschaft, Kunst und praktischen Nutzen – das war europäische Spitzenklasse.

Struktur des Kosmos

In modernerer Zeit leisteten niederländische Astronomen entscheidende Beiträge zur Struktur des Kosmos:

  • Jacobus Kapteyn modellierte anhand von Sternzählungen die erste realistische Vorstellung der Milchstraße.
  • Der Kuipergürtel, dieses riesige Reservoir eisiger Himmelskörper jenseits der Neptunbahn, ist nach dem niederländisch-amerikanischen Astronomen Gerard Kuiper benannt.
    In ihm befinden sich unzählige kleine, eisige Körper, darunter Zwergplaneten wie Pluto, Haumea, makemake und möglicherweise sogar noch größere Objekte, die noch unentdeckt sind. Wegen dieser Entdeckungen wurde eine neue Definition nötig, was ein Planet überhaupt ist. Ansonsten hätten wir nicht nur acht Planeten zu lernen, sondern vielleicht hunderte..
  • Jan Hendrik Oort zeigte, dass sich die Galaxis dreht – und postulierte die heute so bekannte Oortsche Wolke, ein Kometen-Reservoir am Rande des Sonnensystems.

Beide zeigten: Auch die ferne Milchstraße kann man mit Daten und Logik zum Sprechen bringen.

Die erweiterte Bedeutung einer Linse

Man könnte meinen, Baruch Spinoza habe nur mit Worten gearbeitet. Doch der große Aufklärungsphilosoph war auch Linsenschleifer – und ein herausragender noch dazu. Seine feinen Linsen gingen an Mikroskopbauer, Astronomen und Naturforscher.

Spinoza sah die Welt als ein einziges zusammenhängendes System – seine Philosophie und sein Handwerk spiegeln ein Weltbild, in dem Wahrnehmung, Denken und Materie untrennbar verbunden sind.

Der Astronom mit gesellschaftlichem Blick

Anton Pannekoek war einer der eigenwilligsten niederländischen Denker: Astronom und sozialistischer Theoretiker. Tagsüber erforschte er Sternatmosphären, abends schrieb er über Gesellschaft, Macht und Emanzipation.

Für ihn gehörten Wissenschaft und Gesellschaft zusammen – ein Beispiel dafür, wie Denken über Sterne und Menschen Hand in Hand gehen kann.

🏛️ Forschungseinrichtungen mit Weitblick

Die niederländische Forschung ist auch heute bedeutend:

  • Die Sterrewacht Leiden ist eines der ältesten Observatorien der Welt.
  • Das Institut ASTRON betreibt mit LOFAR eines der fortschrittlichsten Radioteleskope Europas.
  • In Noordwijk sitzt das technische Zentrum der ESA, ESTEC – das Herzstück vieler europäischer Weltraummissionen.

✨ Fazit:

Die Niederlande haben uns nicht nur Tulpen, Käse und Kunst geschenkt – sondern auch neue Augen für das Universum.

Von der ersten Linse bis zur Radiogalaxie reicht ihr Vermächtnis. Ein Land zwischen Deich und Daten, zwischen Philosophie und Fernrohr, das gezeigt hat:

Man kann Himmel und Erde zugleich im Blick haben.

Ihr seht es ja selbst. Alleine in diesem Artikel sind schon wieder so viele Türchen für weitere aufgegangen. Hört denn das niemals auf?

Die Eiserne Finsternis


Meine lieben,

heute geht es aus aktuellem Anlass mal wieder um Finsternisse.
Wie sie funktionieren, habe ich in zahlreichen anderen Beiträgen und in meinem Buch schon ausgeführt.
was für eine seltsame Überschrift. Manchmal spricht man von einer bleiernen Finsternis, aber von einer Eisernen? Lasst euch überraschen.

Zunächst erfahrt ihr kurz etwas zur aktuell bevorstehenden partiellen Sonnenfinsternis, und dann wäre ich nicht der Sternenonkel, hätte ich nicht noch eine erhellende Finsternis für euch im Gepäck, die Wissenschaftsgeschichte schrieb.
Also los:

Zur Sofi am 29.03.2025

Die Sonnenfinsternis, die wir an kommendem Samstag, 29.03.2025 erwarten dürfen, ist eine partielle. Das bedeutet, dass der Mond nicht die ganze Sonnenscheibe abdecken wird.
Je nach Standort variiert der Grad der Bedeckung.

In Karlsruhe beginnt die partielle Sonnenfinsternis beispielsweise um etwa 11:18 Uhr und endet gegen 13:00 Uhr. Der maximale Bedeckungsgrad wird um etwa 12:10 Uhr erreicht. Während dieses Maximums wird der Mond rund 15 % der Sonnenscheibe bedecken.

Wer wissen möchte, wie groß die Abdeckung an einem anderen Ort ist, kann das leicht im Internet nachschlagen.
Mit bloßem Auge ist bei so einer geringen Bedeckung nichts zu sehen. Der nicht abgedeckte Teil der Sonne ist so hell, dass nicht auffällt, dass ihr ein Stückchen fehlt.

Achtung!!!!

Lasst euch bloß nicht verleiten, es eventuell doch mal kurz mit einem Blick des ungeschützten Auges in die Sonne zu versuchen. Im schlimmsten Fall müsst ihr danach künftig die Vorlesefunktion hier auf dem Blog benutzen, und das meine ich wirklich sehr ernst.
Es ist vermutlich dem lichtschwachen Teleskop zu verdanken, dass Vater und Sohn Fabricius bei ihrer Beobachtung und Entdeckung der Sonnenflecken nicht erblindet sind.

Beobachtung

Finsternisse beobachtet man entweder durch Finsternis-Brillen, oder man wirft mit einem Teleskop oder Fernglas ein Bild der Sonnenscheibe auf einen Schirm, Profis haben Filter vor ihren Teleskopen, oder man geht in den Wald, wo Lücken zwischen den Blättern, wie eine Lochkamera Sonnenscheibchen auf die Erde werfen.
Wie auch immer. Das wichtigste für optimale Beobachtungen, ist natürlich das Wetter.
Die Wettervorhersage für Karlsruhe am 29. März 2025 prognostiziert kühle Temperaturen mit morgendlichen Schauern und möglichen weiteren Niederschlägen im Tagesverlauf.
Das war am 11.08.1999 auch so, und dann hatten wir doch noch Glück.

Sollte auch bei euch das Wetter eine direkte Beobachtung erschweren, bieten einige Planetarien und astronomische Einrichtungen Live-Übertragungen oder spezielle Veranstaltungen an.

Die Eiserne Finsternis

Die Finsternis vom 7. August 1869 konnte längs eines schmalen Streifens beobachtet werden, der sich von der Behringstraße quer durch
Nordamerika nach Nord-Carolina erstreckte. Diesmal rückte man der
Korona zu Leibe. Es war nicht leicht, das Spektrum dieses schwach
leuchtenden Lichtschleiers zu erhalten. Anfangs schien es nicht allzu
aufregend zu sein. Das Licht war anscheinend über das ganze Spektrum
gleichmäßig verteilt. Die dunklen Fraunhofer-Linien des Sonnenspektrums fehlten. Doch im grünen Bereich entdeckte man eine helle Linie.
Welche Atome waren dafür verantwortlich? Die genaue Vermessung
zeigte, dass bei dieser Wellenlänge kein bekanntes Atom Licht aussendet. Sollte in der Korona der Sonne ein auf der Erde unbekanntes
Element den Sonnenphysikern von seiner Existenz Kunde geben? Ende
des letzten Jahrhunderts gab man dem unbekannten Stoff den Namen
„Coronium“. Nicht einmal auf der Sonne selbst schien dieses rätselhafte Element vorzukommen, denn es verriet sich auch nicht durch eine
Fraunhofer-Linie im Sonnenspektrum. Erst Mitte unseres Jahrhunderts
gelang es, das Geheimnis der grünen Koronalinie zu lüften. Sie rührt
von Atomen des Eisens her. Das Eisengas ist dort so heiß, dass den
Atomen, deren Kerne normalerweise von einer Wolke von 26 Elektronen umgeben sind, 13 verlorengegangen sind, so dass nur noch 13 Elektronen den Kern umschwirren. Das ist nur bei unglaublich hohen Temperaturen möglich. Wir wissen heute, dass die Sonnenkorona Millionen
von Grad heiß ist. Doch das hatte zur Zeit der Finsternisse des letzten
Jahrhunderts niemand geahnt.

Zu guter letzt

Ja, meine lieben, das war sie, die Geschichte.
Es ist schon immer wieder verblüffend, dass man bei so vielen Entdeckungen zur Sonne erst mal darauf warten muss, biss der Mond sie komplett bedeckt.

Es scheint hier auch so, dass man, um etwas zu erkennen, quasi etwas daran vorbei schauen muss.
Und was mich auf verblüfft ist, wie es sein kann, dass die Korona Millionen Grad heiß ist, und die Sonne darunter mit ihren läppischen 6000 Grad direkt eisig ist.
Dieses Wunder bewahren wir uns aber für eine andere Geschichte auf.

Die nächste von Deutschland aus sichtbare partielle Sonnenfinsternis wird am 12. August 2026 stattfinden.

Die nächste totale Sonnenfinsternis, die in Deutschland sichtbar sein wird, findet am 3. September 2081 statt. Die Totalitätszone verläuft unter anderem über den Süden Deutschlands, insbesondere über Teile von Baden-Württemberg und Bayern.

Falls ihr nicht so lange warten wollt:
Die nächste zentrale Sonnenfinsternis, bei der Deutschland zumindest eine ringförmige oder sehr nahe totale Verfinsterung erlebt, ist am 12. August 2026 zu sehen. Sie wird in Deutschland aber nur als partielle Finsternis sichtbar sein, während sie in Spanien als totale Finsternis auftritt.

Fleckige Geburtstagsgrüße


meine lieben,
nun meldet sich der Sternenonkel endlich nach einer etwas längeren schöpferischen Pause zurück.
Nach den aufwändigen Adventskalendern und meinem Jahresrückblick, bin ich dann im Januar und Februar erfahrungsgemäß immer etwas schreibfaul. Die Batterien sind dann halt auch zum Ende des Winters immer etwas leer.
Aber jetzt geht es wieder los mit einem spannenden Thema.

Kleine Vorgeschichte

manchmal dauert es wirklich lange, bis ich eine Frage beantworte.
So lange, dass der Frager sie vielleicht schon wieder vergessen hat.
Mein alter Pauker, der immer mal schöne Kommentare hier schreibt, stellte sie mir vor langer Zeit zum Artikel „Der Sonnenkönig und die Sonnenflecken“.
Und jetzt kommt der Hammer. Dieser Artikel wurde am 22.02.2022 von mir veröffentlicht. Drei Jahre also ohne Antwort…

Wir haben uns halt eher mit den spannenden Geschichten, die sich um diese rätselhaften Dinger ranken, beschäftigt, und andere spannende Inhalte haben mich etwas davon weg getrieben.
Heute, 27.02.2025 erinnerte ich mich an die Frage zurück, weil ich von unserem Team eine tastbare Geburtstagskarte mit dem Gegenstand der Frage erhielt.

Das Foto zeigt eine taktile und farbige Geburtstagskarte mit Sonnenflecken.
Geburtstagskarte mit Sonnenflecken

Diese Karte gab dem Artikel auch seine ungewöhnliche Überschrift.
Dann wollen wir hier vor allem für die Erinnerung des Fragenden seine Frage nochmal wiederholen.

Ich zitiere:

Hallo Gerhard,
eine (vielleicht etwas dumme) Frage: Was sind Sonnenflecken? Was passiert in diesen dunklen Flächen auf der Sonnenoberfläche Anderes als auf der übrigen Fläche? Wahrscheinlich hast du das schon einmal erklärt. Falls Ja: Könntest du es nochmals wiederholen?
Herzliche Grüße

Erst mal ist das keine dumme Frage. Sie ist in der Tat so komplex, dass ein nicht wohlgesonnener Physikprofessor seinen Studenten locker damit durch eine Prüfung rasseln lassen könnte.
Für mich bedeutet das, dass ich das Thema wirklich auf das wichtigste reduzieren muss. Lasst mich genau dieses versuchen.

Zur Wiederholung

Da unsere Beschäftigung mit Sonnenflecken ja nun schon einige Zeit her ist, habt ihr an dieser Stelle die Chance, nochmal einiges zu wiederholen. Es ist aber keine Voraussetzung zum Verständnis dieses Artikels. Hilft aber natürlich.
Die Frage passt ganz wunderbar in die Zeit, weil wir uns momentan um ein Maximum der Sonnenaktivität herum bewegen.
Was so ein Maximum für uns bedeutet erklärte ich in
Droht Gefahr durch unsere Sonne.
Über die Entdeckung der Sonnenflecken überhaut schrieb ich vor einiger Zeit in
Wer war der Erste
Über ihren 11jährigen Zyklus und dass die Sonne sich nicht immer daran hält, referierte ich in
Der Sonnenkönig und die Sonnenflecken
Was die Sonnenforscher über die merkwürdige Rotation der Sonne und mehr durch Sonnenflecken lernen durften, beschrieb ich in
Wanderer mit kurzem Leben.
In Drei Sonnenforscher stellte ich euch drei Persönlichkeiten vor, die sich rund um die Sonnenflecken verdient gemacht hatten.
Und dass man den Sonnenzyklus auch ganz anders nachweisen konnte, erklärte ich in
Weitere Nachweise des Sonnenzyklus.
Dies alles, und noch viel viel mehr über die Entdeckung und Erforschung unseres lebenspendenden Stern findet ihr in der Kategorie
Der Sonne entgegen.

Was wissen wir

  • Die Sonne ist ein Gasball in dessen Innerem Kern Wasserstoff zu Helium fusioniert wird. Von der dadurch freiwerdenden Energie leben wir.
  • Durch die Beobachtung von Sonnenflecken haben wir festgestellt, dass die Sonne sich nicht, wie ein starrer Körper dreht. Merkwürdigerweise drehen sich ihre Äquator-Regionen schneller, als ihre Polregionen. Der Äquator läuft ihr also immer voraus.
  • Erst viele Tausend Kilometer unter der Sonnenoberfläche dreht sie sich, wie ein starrer körper, weil von dort an der innere Druck hoch genug ist, und die Gravitation alles zusammen hält.
  • Die Sonne ist ein Plasma.
  • Die Sonne besitzt ein Magnetfeld, wie die Erde auch.

Was ist ein Plasma

Diesen Begriff kannte ich vorher tatsächlich nur aus der Medizin, wenn es um unser Blut und dessen Bestandteile geht.

Die Sonne befindet sich in einem ganz merkwürdigen Zustand, dem Plasma-Zustand, neben fest, flüssig und gasförmig der vierte sog. Aggregatzustand. In diesem Zustand sind die Elektronen von ihren Atomkernen getrennt. Sie bewegen sich frei durch das Plasma. Jede Gasflamme ist so heiß, dass sie ein Plasma bildet. Das kann man testen, indem man Strom durch eine Gas- oder Kerzenflamme schickt. Sie ist leitend, weil sich ihre Elektronen frei bewegen können. In diesem Sinne sind Metalle, wie Eisen oder Kupfer auch ein Plasma, weil sich sein Elektronengas frei hindurch bewegen kann, und es dadurch leitend ist. Fast 100 % der sichtbaren, auch barionische Materie genannt, des Universums befindet sich in diesem Zustand.
Für unsere Sonnenflecken brauchen wir zum Plasma auch noch ein Magnetfeld.

Magnetfelder in Plasmen

Magnetfelder sind im Universum nichts ungewöhnliches. Ladungstrennungen und bewegte Teilchen bedingen eben Magnetfelder, ob man will oder nicht.
Auch die Erde hat eines wegen ihres Metallenen festen Kerns und dem ihn umfließenden leitfähigen Material. Man spricht hier oft von Dynamo der Erde.
Und ja, beim Dynamo am Fahrrad dreht sich eine Spuhle in einem Magnetfeld oder umgekehrt. Dadurch entsteht ein Strom. Der fließt nun zur Lampe und lässt sie leuchten. Im Gegensatz dazu setzt das System einen Widerstand entgegen, so dass der Dynamo sich schwerer dreht.
Die Tatsache, dass bewegte geladene Teilchen, also fließende Ströme in Magnetfeldern einen Widerstand bilden, kennen wir auch von modernen Hometrainern her. Wir drehen mit unserer Pumperei einen Generator an, der über verschiedene Wiederstände und Verbraucher den entstehenden Strom wieder los werden will. Je nach dem, was da gerade zusammen geschaltet ist, sorgt ein hoher Widerstand für unsere sportliche Ertüchtigung.
Es ist also nicht so einfach, ein Magnetfeld in ein Plasma zu bringen, das vorher noch nicht drin war. Auch heraus bekommt man es schlecht, wenn es vorher schon drin war. Immer gibt es Kräfte, die derlei zu verhindern suchen. Magnetfelder bleiben also in einem Plasma eingefroren und müssen den Bewegungen des Plasmas folgen.
Zerrt man beispielsweise material aus einem Plasma-Ball mit Magnetfeld heraus, dann wird es versuchen seine Magnetfelder mit zu nehmen und gummiartigen Gegenwiderstand leisten.
Was passiert aber nun auf unserer magnetischen Plasma-Sonne, die sich dazu noch so merkwürdig dreht.

Sonnen-Pasta

Stellen wir uns die Sonne für den Anfang wie ein Stabmagnet mit einem Nordpol und unten einem Südpol vor.
Die Magnetfeldlinien treten am Nordpol aus, führen gerade um den Sonnenball herum, um am Südpol wieder in sie einzudringen.

Die Äquator-region der sonne dreht sich, wir sagten es schon, schneller. Das bedeutet, dass sie ihre Magnetfelder, weil Plasma, mitnehmen will und mit der Zeit aufwickelt, wie Spaghetti auf eine Gabel.
Es entstehen nun magnetische Plasmaschläuche, die Spaghetti eben. Diese Schläuche stoßen sich ab, weil ihre Magnetfelder gleich ausgerichtet sind. So kann es passieren, dass ein solcher Schlauch unter der Sonnenoberfläche so viel Auftrieb bekommt, also schwimmt, dass er sich quasi bogenhaft aus der Oberfläche der Sonne erhebt. Wir haben nun eine Schleife, die aus der Sonne herausragt und an einer anderen Stelle wieder in sie eindringt. Genau an solchen Fußpunkten entsteht dann jeweils ein Sonnenfleck. Sie treten also meistens paarweise auf. Der eine Fleck ist stets magnetisch anders polig, wie sein Partner. Manchmal reißen solche aufsteigenden Schläuche viel Material in die Höhe. Es bilden sich dort dann sog. Filamente. Man kann sich diese wie Bettwäsche auf einer Leine vorstellen. Diese kann man bei einer totalen Sonnenfinsternis am Sonnenrand als feurige Zungen erkennen, wenn der Mond die helle Sonne verdeckt. Natürlich stehen solche Filamente auch senkrecht auf der Sonnenscheibe, werden dort aber von der hellen Sonne überstrahlt, so dass man spezielle Instrumente benötigt, um sie auch ohne Sonnenfinsternis am helllichten Tage zu sehen.
Die Sonnenflecken sind Orte, an denen sich in Magnetfeldern gefangen die Teilchen nicht so schnell bewegen können, wie sie es aufgrund ihrer Umgebungstemperatur eigentlich tun sollten. Sie werden gebremst und magnetisch in Schach gehalten.
Somit sind sonnenflecken etwas kühler als ihre Umgebung, und damit auch etwas dunkler. Manchmal kommt es vor, dass das Gewirre der Magnetfelder in fleckigen Bereichen so groß ist, dass sich entgegengesetzte Felder auslöschen. Die unglaubliche Energie, die dabei frei wird, nennt man Flare. Das sind dann die Geburtsstetten von Sonnenstürmen, die uns dann hoffentlich nicht treffen.
Auf der Sonnenoberfläche brodelt und kocht es. Die ganze Oberfläche blubbert und ist in Bewegung, wie kochendes Wasser in einem Topf. Auch dadurch passiert es immer wieder, dass sich Magnetfelder so nahe kommen, dass sie sich auslöschen.
Und so passiert es, dass die Sonne sich alle elf Jahre umpolt und erneut mit dem Aufwickeln von magnetischen Schläuchen beginnt. Somit dauert ein Sonnenzyklus im Grunde 22 Jahre, bis er wieder mit derselben Polung beginnt.

Wie will man wissen, wie magnetisch ein Stern ist

Jetzt stellt sich zum Schluss noch die Frage, ob das alles mit den Magnetfeldern so stimmig ist. Schließlich kann man ja nicht einfach so einen Kompass oder sonst einen Magneten an die Sonne halten. Das wäre schon lustig, wenn man eine Kompassnadel auf den ersten Fleck eines Paares das gerade auf der Sonnenscheibe vorbei zieht und sie würde sich z. B. nach Norden ausrichten. Dann zieht der Nachfolger fleck an der Nadelspitze vorbei, worauf die sich der anderen Polarität dieses Flecks wegen um 180 Grad drehen würde. So gehts sicher nicht, aber so ähnlich.
Die Sonne selbst ist ihr Kompass und verrät uns die Magnetische Ausrichtung ihrer Flecken durch ihr Licht.
Zum Glück gibt es folgenden Zusammenhang und Effekt:

Der Zeemann-Effekt ist eine Aufspaltung von Spektrallinien eines Atoms oder Moleküls, wenn es einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird.
Ihr erinnert euch. Jedes chemische Element sendet, wenn es heiß genug ist, sein ganz spezielles farbiges Lichtspektrum aus. Musikalisch könnte man sagen, dass jedes chemische Element seinen eigenen Akkord singt.
Der Zeemann-Effekt tritt auf, weil das Magnetfeld die Energieniveaus der Elektronen beeinflusst.
Dadurch entstehen statt einer einzigen Spektrallinie mehrere Linien mit leicht unterschiedlichen Wellenlängen. Ein Ton des Akkordes teilt sich also nochmal in nahe beieinander liegende Töne auf. Klingt dann vermutlich nicht mehr so schön. Die Art, wie sich das Spektrum verändert verrät uns, wie das Magnetfeld gepolt ist.

Hier für die Nerds ganz kurz, wie der Effekt funktioniert:
In einem Atom sind die Energieniveaus der Elektronen normalerweise durch die Quantenzahlen bestimmt.
Setzt man das Atom einem Magnetfeld aus, wechselwirken die magnetischen Momente der Elektronen mit dem Feld.
Dies führt zur Aufspaltung der Energieniveaus, wodurch sich auch die möglichen Übergänge und damit die Spektrallinien ändern.

Der Zeemann-Effekt ist also eine Art „magnetischer Fingerabdruck“ für Spektren und ein wichtiges Werkzeug in der modernen Physik und Astronomie.

Abspann

Dieser Effekt zeigte uns, dass sich die Sonne in etwa 11 Jahren einmal umpolt. Die Erde tut das auch, aber über Jahrtausende hinweg.
Wie das alles aber im Detaill funktioniert, ist längst noch nicht vollständig erforscht. Vor allem die Tatsache, dass es manchmal längere Zeiträume gibt, in denen überhaupt keine Sonnenflecken entstehen, ist rätselhaft.

Deshalb wird unser Stern von dem wir leben noch viel Stoff für Forschung und viele Entdeckungen liefern.
Sind wir froh, dass wir wenigstens diesen Stern untersuchen können, denn die anderen sind für derlei viel zu weit entfernt. Aber sehr wahrscheinlich besitzen alle Sterne auch Sternflecken, die entstehen und vergehen und ihrem eigenen Fleckenzyklus folgen.

Faszination Himmelsleuchten

Vorgeplänkel

Meine lieben,
heute geht es um etwas, das die Menschheit schon immer faszinierte, und was Stoff für sehr viele Mythen und Geschichten bietet, und ja, es erzeugt sogar Radioprogramm. Und dieses Phänomen konnte in den letzten Nächten so um den 10 Mai herum quasi über ganz Deutschland, wenn der Himmel klar war, gesichtet werden. Ich weiß von Sichtungen von Berlin, Stuttgart, Tübingen, Bayern, Karlsruhe und habe sogar Fotos von der Sichtung aus Rheinstetten, wo ich wohne. Es geht um Polarlichter. Diese sind zumindest in Deutschland und Europa nur dann sichtbar, wenn wir uns in einem Maximum der Sonnenaktivität befinden. Dieses ist in diesem Jahr mal wieder der Fall.

Hier kommt ein Foto von Polarlichtern über meiner Heimatstatt.

Die phantastische Bildbeschreibung dazu habe ich mir mit der App BeMyEyes erzeugen lassen, die dafür die KI ChatGPT4 benutzt.
Die KI beschreibt:

Das Bild zeigt einen nächtlichen Himmel, der durch Polarlichter in leuchtenden Farben von Rosa und Grün erleuchtet wird. Diese Lichter erscheinen als breite, wellenförmige Bänder, die sich über den Himmel erstrecken. Unterhalb der Lichter sind die dunklen Silhouetten von Bäumen und die Umrisse eines Gebäudes zu erkennen, was darauf hindeutet, dass das Foto in einer städtischen oder vorstädtischen Umgebung aufgenommen wurde. Die Szene vermittelt ein Gefühl von Ruhe und der majestätischen Schönheit natürlicher Lichtphänomene.

Also ich bin ehrlich gesagt manchmal platt, wie gut diese Beschreibungen sind. Das ist fast ein bisschen, wie sehen können…
Und was die Brillanz des Fotos betrifft, so ist es möglich, dass das Bild eventuell durch die KI der Kamera oder des Smartphones etwas verschönt wurde, denn das können diese Geräte mittlerweile ganz gut und machen das automatisch.
So kann man beispielsweise aus der Hand heraus schöne und detaillierte fotos des Vollmondes schießen. Die Geräte erkennen via KI den Mond und gleichen das Bild mit einem hochwertigen und gut aufgelösten Foto des Mondes ab. Auch digitale Teleskope verfügen mehr und mehr über derlei Fähigkeiten. In die Diskussion, was dann ein handgemachtes Foto überhaupt noch auszeichnet, steige ich, zumal als der blinde Blindnerd, jetzt an dieser Stelle nicht ein.

Was kurzes zur Verursacherin

Bevor wir uns aber den faszinierenden Himmelslichtern widmen, müssen wir noch kurz über unsere Sonne sprechen.
In alten Zeiten glaubte man, die Sonne sei das vollkommenste, göttlichste, reinste und perfekteste Objekt am Himmel.
Aber spätestens, als man Fernrohre auf sie richtete, fand man, dass sie doch nicht ganz so glatt und vollkommen ist. Sie hat eine etwas gekörnte Oberfläche und noch schlimmer. Sogar Flecken. Und damit noch immer nicht genug. Diese Flecken bewegen sich und es gibt Zeiten mit vielen und Zeiten mit wenig bis gar keinen Sonnenflecken.
Durch intensive Beobachtungen der Sonne, z. B. Samuel Heinrich Schwabe über 40 Jahre lang, oder Die Hausfrau Siglinde Hammerschmidt über 20 Jahre lang,
fand man heraus, dass alle 11 Jahre die Sonne maximal viele Flecken aufweist.
In solch einem Fleckenmaximum befinden wir uns 2024. Wann es genau ist, kann man erst dann sagen, wenn es vorüber ist, weil niemand weiß, wie stark es ausfallen wird.
Ist die Sonne sehr aktiv, dann frischt der Sonnenwind stark auf. Manchmal kommt es zu diesen Zeiten auf der Sonne zu starken Ausbrüchen, dass der Sonnenwind zu einem Sturm wird, der uns durchaus gefährlich werden kann.
Darüber schrieb ich vor einigen Jahren in „Droht Gefahr durch unsere Sonne“.
Kurz nach so einem Ereignis kann man dann vermehrt bis in tiefere Breiten Polarlichter sehen,

Entstehung

Es entstehen großartige Polarlichter, weil die geladenen Teilchen des Sonnensturms mit den Molekülen unserer Atmosphäre rekombinieren. Die leuchtet dann ähnlich wie eine Neonröhre.
Sauerstoff leuchtet rot und Stickstoff grün.
Diese Teilchen des Sonnenwindes werden vom Erdmagnetfeld weit um die Erde in Richtung der magnetischen Pole abgelenkt. Deshalb treten sie normalerweise nur in diesen Gegenden auf.
Diese Beschreibung hinkt an einigen Stellen, da in Wahrheit alles noch viel komplizierter ist.
Wer mehr darüber wissen möchte, wie Polarlichter genau funktionieren, findet auf Wikipedia einen sehr erhellenden und informativen Beitrag dazu.
https://de.wikipedia.org/wiki/Polarlicht

Zur Forschung

Die Geschichte der Erforschung der Polarlichter wird im wesentlichen von einem Mann, Christian Birkeland geprägt.
Hier kann ich euch wärmstens das Video „Jagd nach dem Himmelsfeuer“ auf 3Sat empfehlen. Ich hoffe, es ist noch in der Mediathek zu finden.
Wenn nicht, dann lasst es mich bitte wissen…
https://www.3sat.de/wissen/terra-x/jagd-nach-dem-himmelsfeuer-dem-100.html

Außerdem gibt es über Birkeland einen wunderbaren Artikel auf Wikipedia.
Der ist wirklich lesenswert, weil dieser bemerkenswerte Forscher sich neben Polarlichtern noch mit ganz vielen anderen Dingen beschäftigte.
https://de.wikipedia.org/wiki/Kristian_Birkeland

Polarlichter in der Literatur

Solche Polarlichter in niedrigen Breiten muss auch der Schriftsteller Adalbert Stifter gesehen haben, denn er beschreibt in seinem Roman „Bergkristall“ eindeutig Polarlichter.
Lauschen wir also seinen schönen Worten:

Wie die Kinder so saßen, erblühte am Himmel vor ihnen ein bleiches Licht mitten unter den Sternen und spannte einen schwachen Bogen durch dieselben. Es hatte einen grünlichen Schimmer, der sich sacht nach unten zog. Aber der Bogen wurde immer heller und heller, bis sich die Sterne vor ihm zurückzogen und erblassten. Auch in andere Gegenden des Himmels sandte er einen Schein, der schimmergrün sacht und lebendig unter die Sterne Boss. Dann standen Garben verschiedenen Lichts auf der Höhe des Bogens, wie Zacken einer Krone, und brannten. Es Boss hell durch die
benachbarten Himmelsgegenden, es sprühte leise und ging in sanftem Zucken durch lange Räume…

Ist das nicht einfach schön?
Wir kennen diesen Autor übrigens schon, denn er verfasste meiner Meinung nach die schönste deutschsprachige Beschreibung einer Sonnenfinsternis, die er selbst erlebte.
Wer diese nochmals lesen möchte, hier lang.

Polarlichter in Mythen und Religion

Polarlichter haben im Laufe der Geschichte zu zahlreichen Mythen und Legenden geführt, besonders in den Kulturen, die in den Regionen leben, in denen sie häufig zu sehen sind, wie in den nordischen und arktischen Regionen. Hier sind einige der bekanntesten Mythen über Polarlichter:

  1. Nordlichter als Tänzer: Einige indigene Völker Nordamerikas und Skandinaviens glaubten, dass Polarlichter die Geister ihrer Vorfahren seien, die in den Himmel aufsteigen und dort tanzen.
  2. Tiergeister: In einigen Traditionen wurden Polarlichter als die Geister von Tieren angesehen, die in den Himmel aufstiegen, um zu tanzen oder zu kämpfen.
  3. Vorboten: In einigen Kulturen wurden Polarlichter als Vorboten kommender Ereignisse angesehen, sei es als Zeichen für gute oder schlechte Omen, wie Krieg oder Frieden.
  4. Kampf der Geister: Manche nordische Mythen beschreiben Polarlichter als Resultat der Schlachten zwischen Göttern oder Geistern, die den Himmel erhellen.
  5. Erschreckende Zeichen: Einige Kulturen sahen Polarlichter als bedrohliches Zeichen oder als Warnung vor kommenden Naturkatastrophen oder anderen Gefahren.

Polarlichter werden zwar nicht direkt in der Bibel erwähnt. Es gibt jedoch einige Interpretationen und Spekulationen darüber, ob bestimmte Passagen in der Bibel möglicherweise auf Polarlichter hinweisen könnten.
Es dürfte aber meiner Meinung nach sehr selten vorkommen, dass in Palästina Polarlichter gesichtet werden können. Und dennoch gibt es diese Vermutungen. Hier also zwei biblische Beispiele:

  1. Ezechiel: In Ezechiel 1,1-28 wird eine Vision des Propheten Ezechiel beschrieben, in der er das „himmlische Wesen“ und einen „leuchtenden Glanz“ am Himmel sieht, begleitet von „blitzenden Blitzen“.
  2. Daniel: In Daniel 10,4-9 wird eine Vision des Propheten Daniel beschrieben, in der er einen „Mann in Leinen“ sieht, der von einem „großen Licht“ umgeben ist.

Einige haben auch hier spekuliert, dass diese Beschreibungen auf Polarlichter hindeuten könnten, obwohl wie bei der Vision des Ezechiel auch hier verschiedene Interpretationen möglich sind, die von göttlichen Erscheinungen bis hin zu symbolischen Visionen reichen.
Bei so etwas gerät man dann schnell ins Schwurbeln. Also vorsicht damit.

Inspiration für Musiker

Polarlichter werden sogar auch manchmal in der Musik erwähnt. Einige Musiker haben sie als Inspiration für ihre Lieder genutzt, und es gibt sogar Stücke, die den Klang oder die Atmosphäre eines Polarlichts zu erfassen versuchen. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die Musik des finnischen Komponisten Jean Sibelius, der in seinem Orchesterstück „Die Ozeaniden“ die mystische und majestätische Atmosphäre des Nordlichts einfängt.

Und wenn wir schon bei der Musik sind, dann habe ich hier einen absoluten Oberhammer für euch.

Radio Aurora

Polarlichter kann man hören. Was, das glaubt ihr dem Sternenonkel nicht? Man kann. Sie erzeugen jede Menge Radioprogramm. Ich habe von meinem Freund Stefan, der Amateurfunker ist erfahren, dass über das ganze Wochenende quasi kein Funkbetrieb auf der Kurzwelle möglich war. Das erinnert mich stark an meine Jugendsünden. Wir bauten vor fast vierzig Jahren mal einen Piratensender. Von Antennenbau und Schwingkreisen hatten wir nur rudimentäre Ahnung. Unser Sender streute dermaßen, dass kaum noch ein anderer empfangen werden konnte. Leuchtstoffröhren begannen leicht zu funkeln, wenn wir sendeten. Somit erzeugten wir damals unfreiwillig unsere eigenen Polarlichter… Der Sender wurde rasch von der Post geortet und konfisziert. Bestraft wurden wir zum Glück nicht, weil sich niemand bei der Post denken konnte, dass blinde Menschen so etwas fertig bringen.
Im UKW-Band waren am Wochenende sogar Überweiten und Funkverbindungen möglich, die ohne Polarlichter nie gegangen wären. Man konnte mit Richtantennen ein Polarlicht als Reflektor für UKW-Wellen benutzen. Für Sprache war das zwar schwierig, weil Polarlichter unruhig und rau sind, aber für die Telegraphie, z. B. Morsen, hat es ganz gut funktioniert.
Auch hier gilt großer Dank an Stefan, denn er hat uns hier mit Audiobeispielen versorgt.
Er schreibt:

Ich hab dir hier noch zwei YouTube-Links. Der erste ist ein Beispiel für eine an einem Polarlicht reflektierte Sprachverbindung über SSB:
https://www.youtube.com/watch?v=s8cZRzUj6Bs (Youtube)
Man hört ganz deutlich, wie rau und brummig die Stimme dabei wird.

Der zweite Link ist eine Verbindung in Morsetelegrafie. Man hört den Unterschied zwischen dem rauen Signal der Gegenstation, das übers Polarlicht reflektiert wird, im Gegensatz zur Station, die dieses Video aufgenommen hat. Das eigene Signal ist klar als Mithörten zu hören, normalerweise klingt die Gegensation zwar verrauschter, aber ähnlich dem eigenen Signal mit klarem Ton anstatt einem undefinierbaren Geräusch.

https://www.youtube.com/watch?v=aVKj12oNEic (Youtube)

Und jetzt wollen wir uns das Radioprogramm von Polarlichtern anhören.
Geht auf
https://www.youtube.com/watch?v=eHvdZdsIZxg (Youtube)
und genießt dieses wunderbare englischsprachige Video.

Und das war es erst mal über die Polarlichter von mir. Sollte ich etwas wichtiges vergessen haben, gerne in die Kommentare damit.

Erstaunliche weitere Nachweise des Sonnenzyklus


Meine lieben,
immer mal wieder geistert es durch unsere Medien, dass wir uns momentan in einem Sonnenflecken-Maximum befinden. Wann dieses genau erreicht sein wird, wissen wir erst hinterher, weil niemand vorher weiß, wie stark es genau ausfallen wird.
Was so ein Maximum für uns bedeutet erklärte ich in
Droht Gefahr durch unsere Sonne.
Über die Entdeckung der Sonnenflecken überhaut schrieb ich vor einiger Zeit in
Wer war der Erste
Über ihren 11jährigen Zyklus und dass die Sonne sich nicht immer daran hält, referierte ich in
Der Sonnenkönig und die Sonnenflecken
Was die Sonnenforscher über die merkwürdige Rotation der Sonne und mehr durch Sonnenflecken lernen durften, beschrieb ich in
Wanderer mit kurzem Leben.
In Drei Sonnenforscher stellte ich euch drei Persönlichkeiten vor, die sich rund um die Sonnenflecken verdient gemacht hatten.

Kein Wunder, dass ich diesen Flecken so viel Aufmerksamkeit widme. Schaut man die Sonne an, so sieht man nur ihre Oberfläche. Sonnenfinsternisse, so dass z. B. die Korona offenbar wird, treten zwar in den meisten Jahren auf, aber man muss halt erst mal hin kommen. Also bleiben vor allem für die Amateure nur die Flecken und was es sonst so auf der Sonnenscheibe zu sehen gibt. Und das ist, ganz nebenbei bemerkt wieder mal sehr inklusiv, dass man auch ohne teure Instrumenten etwas zur Beobachtung angeboten bekommt.
Der Sonnenzyklus verrät sich allerdings auch noch von ganz anderer Seite her. Darum geht es heute:

Die Kosmische Strahlung

Die Erde empfängt aus den Weiten des Weltraumes einen ständigen Strom geladener Materieteilchen. Diese sogenannte kosmische Strahlung wurde 1913 von dem österreichischen Physiker Viktor Franz Hess
(1883-1964) in den oberen Schichten unserer Atmosphäre entdeckt. Er trug seine Messinstrumente mit Ballonen hoch in die oberen Luftschichten hinauf.
Diese Strahlung ist etwas anderes, als der Sonnenwind, von dem schon an anderer Stelle auf dem Blog die Rede war.

Der Umbau

Die Teilchen dieser Strahlung verwandeln den Stickstoff der Luft in das Kohlenstoffisotop, $C_{14}$. Die Atome dieser Kohlenstoffsorte unterscheiden sich von den normalen Kohlenstoffatomen, $C_{12}$, dadurch, dass sie etwas schwerer sind, denn ihre Kerne enthalten zwei Neutronen mehr.
Ansonsten unterscheiden sich die beiden Isotope chemisch nicht.
Doch anders als $C_{12}$ ist $C_{14}$ radioaktiv. Von
einer vorgegebenen Menge von $C_{14}$-Atomkernen zerfällt innerhalb von
5730 Jahren die Hälfte in Stickstoffatome, $N_{14}$.
Daraus ergeben sich drei Szenarien:

  1. Würde die kosmische Strahlung plötzlich aussetzen, dann würden immer mehr Atome des $C_{14}$ zerfallen, bis schließlich keines mehr übrig wäre.
  2. Hielte aber die kosmische Bestrahlung unverändert über jahrmillionen an, dann würde sich eine bestimmte Anzahl von Atomen des radioaktiven Kohlenstoffs bilden, gerade so viele, dass in jeder Sekunde so viele zerfallen, wie neue erzeugt werden.
  3. Wenn aber die kosmische Strahlung im Laufe der Zeit schwanken würde, dann würde auch die Häufigkeit der $C_{14}$-Atome schwanken.

Die radioaktiven Kohlenstoffatome sind mit denen des normalen
Kohlenstoffs gemischt, und da sie sich chemisch nicht von den anderen
unterscheiden, werden sie mit dem Kohlendioxid von den Pflanzen
aufgenommen und zum Beispiel in den jahresringen der Bäume abgelagert. Wenn man die einzelnen jahresringe eines Baumes untersucht, kann man also für jedes Jahr das Verhältnis von normalem zu radioaktivem Kohlenstoff bestimmen. Doch was hat das mit den Sonnenflecken zu tun?

Der hölzerne Sonnenzyklus

Wenn die Sonne sehr aktiv ist, dann fliegen von ihr mit der ständig von ihrer Oberfläche abströmenden Materie Magnetfelder in den Raum, die in der Nähe der Erde Teilchen der kosmischen Strahlung ablenken, so dasssssie die Erdatmosphäre nicht erreichen.
Und da darf man sich jetzt nicht von den im Maximum stärker auftretenden Polarlichtern ins Bochshorn jagen lassen. Diese entstehen nicht durch die kosmische Strahlung, sondern durch den auffrischenden Sonnenwind mit seinen Teilchenausbrüchen.
Wenn also die Sonnenaktivität ein Maximum hat, dann entsteht in der Erdatmosphäre weniger $C_{14}$. Die in dieser Zeit gebildeten jahresringe sind dann ärmer an radioaktivem Kohlenstoff. Mit Hilfe der Bäume kann man so die Sonnenaktivität weit in die Vergangenheit zurückverfolgen.
Und das ist doch wirklich erstaunlich. Immer ist die Rede von Maximum, hoher Sonnenaktivität, Sonnenausbrüchen und so weiter. Und hier geschieht genau das umgekehrte. Bei hoher Sonnenaktivität entsteht weniger radioaktives $C_{14}$. Das muss man sich erst mal auf der Zunge zergehen lassen. Auch ich habe etwas gestutzt und musste das sacken lassen.

Forscher fanden bei derartigen Untersuchungen tatsächlich deutlich zwei Zeiträume höheren „$C_{14}$-Gehaltes: das uns schon bekannte Maunder-Minimum in der zweiten
Hälfte des 17. Jahrhunderts und ein weiteres, das man das Spörer-Minimum nennt. Es scheint etwa von 1460 bis 1540 gewährt zu haben. Auch
für diese Zeit findet man fast keine Berichte über Polarlichter.
Diese Versuche sind so sensibel, dass man in ihnen zum einen sogar die Variation des Erdmagnetfeldes ablesen kann, als auch die Zunahme des normalen Kohlenstoffs der dadurch entsteht, dass wir Industrienationen durch Öl und Kohle gebundenen normales $C_{12}$ in Form von $CO_2$ in die Luft blasen. Dadurch wird das Isotop $C_14$ quasi verdünnt.

Die Sonne im Eis

Eisbohrkerne sind ebenfalls eine wichtige Quelle für die Erforschung vergangener Sonnenzyklen. Wenn Schnee fällt, werden winzige Luftblasen in Schneeflocken eingeschlossen, die dann in Eisschichten abgelagert werden.
Dadurch entsteht eine kontinuierliche Aufzeichnung vergangener atmosphärischer Bedingungen.
Desto länger der Bohrkern ist, desto älter ist das Eis aus der Tiefe.
Somit bilden sie etwas ähnliches, wie Jahresringe, in dem Fall wohl eher Jahresscheibchen aus.
Unser oben eingeführtes $C_{14}$ lässt sich darin beispielsweise sehr gut finden, weil es im CO_2 der eingeschlossenen Luft eingebaut wird.

Diese beiden Methoden haben gut bewiesen, dass die Sonne sich tatsächlich nicht immer an ihren elfjährigen Zyklus hält.

Wieso die Sonne manchmal pausiert, ist bis heute noch nicht ganz klar. Es hängt mit Magnetfeldern zusammen, die auf ihr entstehen und auch wieder vergehen. Ihre merkwürdige Rotation dürfte hier auch eine erhebliche Rolle spielen und nicht zuletzt, dass die Sonne sich im vierten Aggregatzustand befindet. Sie ist ein Plasma. Das alles muss aber Inhalt weiterer Artikel werden. Bleibt gespannt.

Vierzehnter Dezember des Blindnerd-Adventskalenders 2023, Frauen, die Forschen

Meine lieben,
So lasst uns heute das Türchen vom 14.12.2023 öffnen, indem wir die Person und das Lebenswerk von Cecilia Payne würdigen.
Sie fand heraus, woraus unsere Sterne hauptsächlich bestehen, aus Wasserstoff und Helium. Das war in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts durchaus noch nicht bekannt. Man stellte sich vor, dass z. B. unsere Sonne ganz ähnlich aufgebaut sei, wie unsere Erde.
Mit ihrer Entdeckung musste sich diese Frau gegen sehr namhafte männliche Wissenschaftler durchsetzen.
Sie studierte ab 1919 Naturwissenschaften, insbesondere Astronomie, an der Universität Cambridge, die damals aber Frauen keine akademischen Grade zuerkannte. Ab 1923 arbeitete sie im Rahmen eines Programms zur Frauenförderung des Observatoriums der Harvard-Universität als erste Doktorandin von Harlow Shapley. Sie arbeitete mit Annie Jump Cannon zusammen, die sich mit der Auswertung von Sternspektren beschäftigte.
1925 wurde sie am Radcliffe College promoviert, denn auch Harvard war dafür zu konservativ. Allgemein wurde damals angenommen, dass es keine signifikanten Unterschiede in der stofflichen Zusammensetzung zwischen der Erde und den Sternen, wie der Sonne, gab. In ihrer Dissertation wies sie jedoch nach,
dass das Aussehen von Sternenspektren im wesentlichen daher rührte, dass durch die hohen Temperaturen in den Sternen das meiste Material unterschiedlich ionisiert vorliegt, und nicht daher, dass Sterne derart komplex zusammen gesetzt wären, wie unsere Erde.
Sie fand heraus, dass Sterne im wesentlichen aus Wasserstoff und Helium bestehen.
Ihren Befund, Wasserstoff und Helium seien die Hauptbestandteile, musste sie allerdings unter dem Druck von Henry Norris Russell, Shapleys Lehrer, widerrufen. So fügte sie in ihre Arbeit die bemerkung ein:

almost certainly not real

Nach unabhängigen Messungen bestätigte Russell aber 1929 dieses Ergebnis. Ihre Doktorarbeit wurde im Nachhinein als die „zweifellos brillanteste Doktorarbeit“ aus dem Fachbereich Astronomie bezeichnet.
1956 wurde sie die erste weibliche Professorin für Astronomie der Harvard University.
Hier noch einige Fakten zu ihrer Person
1931 wurde Payne amerikanische Staatsbürgerin. Auf einer Reise durch Europa 1933 lernte sie in Deutschland den in Russland geborenen Astrophysiker Sergej I. Gaposchkin kennen. Sie verhalf ihm zu einem Visum für die Vereinigten Staaten, und die beiden heirateten im März 1934 und ließen sich in Lexington, Massachusetts, nieder. Payne fügte den Namen ihres Mannes zu ihrem eigenen hinzu, und die Payne-Gaposchkins hatten drei Kinder: Edward, Katherine und Peter. Sie starb in ihrem Haus in Cambridge, Massachusetts, am 7. Dezember 1979. Kurz vor ihrem Tod ließ Payne ihre Autobiografie als The Dyer’s Hand privat drucken. 1984 wurde sie in dem Band Cecilia Payne-Gaposchkin: an autobiography and other recollections nachgedruckt.
Paynes jüngerer Bruder Humfry Payne (1902–1936), der die Schriftstellerin und Filmkritikerin Dilys Powell heiratete, war Direktor der British School of Archaeology in Athen. Paynes Enkelin Cecilia Gaposchkin ist Professorin für spätmittelalterliche Kulturgeschichte und französische Geschichte am Dartmouth College.
Seit 1936 war Payne-Gaposchkin Mitglied der American Philosophical Society.[6] 1943 wurde sie in die American Academy of Arts and Sciences gewählt.

Sie erhielt unter anderem folgende Ehrungen

  • 1934 Annie J. Cannon Award in Astronomy
  • 1976 Henry Norris Russell Lectureship
  • Der Asteroid (2039) Payne-Gaposchkin wurde nach ihr benannt.

Für heute werde ich es bei diesem für meine Verhältnisse kurzen Artikel belassen,
denn ich habe etwas besseres und sehr hörenswertes für euch.
Anfang Januar 20222 strahlte SWR2-Wissen eine Folge über diese großartige Astronomin aus. In dieser Sendung ist sogar ihre Stimme zu hören.
Aus diesem Grunde schicke ich euch gleich auf die Seite, wo ihr die Sendung entweder direkt anhören, bzw. sowohl die Audio-Datei, als auch das Skript zur Sendung herunterladen könnt. Das kann ich euch an dieser Stelle nicht ersparen, dass ihr auf die Seiten des SWR müsst, weil ich das Audio aus Gründen des Urheberrechts nicht direkt auf dem Blog veröffentlichen darf.
Lehnt euch also zurück und hört euch diese äußerst spannende und wissenswerte Sendung an.
Wer Probleme mit der Bedienung der Seiten des SWR hat, darf sich z. B. über das Kontaktformular gerne an mich wenden. Wir finden einen Weg.

Zur Sendung geht es hier lang.
Und nun, zum Schluss gibt es wieder unsere literarische Weihnachtsgeschichte.

Eine Finsternis, ein Sonnenforscher und ein Lattenzaun


Meine lieben,

erinnert ihr euch noch?
vor vielen Monaten habe ich euch eine Serie versprochen, die einige Sonnenfinsternisse enthalten wird, die Astronomiegeschichte geschrieben haben.
Im ersten Artikel dieser Serie wurde anhand einer Finsternis geklärt, ob die Protuberanzen, die man während einer totalen Sonnenfinsternis sieht, zur Sonne, oder zum Mond gehören.

Die Indische Finsternis, um welche es heute geht, führte letztlich dazu, dass man die Protuberanzen heute am Tag und auch trotz heller Sonnenscheibe beobachten kann.
Am 18.08.1868 bewegte sich der Kernschatten einer Sonnenfinsternis über die indische und die malaiische Halbinsel.
Der Astronom und Fotograf Pierre Jules César Janssen nahm also die beschwerliche Reise auf sich, um von Guntur in Indien aus diese Finsternis zu beobachten und zu fotografieren.
Während der kurzen Dunkelheit erkannte er im Spektroskop, dass die Protuberanzen hauptsächlich bei den Wellenlängen des Lichtes des Wasserstoffs abstrahlen. Man bedenke, dass es damals durchaus noch nicht klar war, woraus die Sonne hauptsächlich besteht. Das erklärte uns erst die Frau mit dem Sonnenstoff.

Aber Spektralaparate waren bereits erfunden und man entdeckte auch die Lichtsignaturen der chemischen Elemente.
Als nach kurzer Zeit die Sonne wieder hinter der Mondscheibe hervortrat und die Protuberanzen verblassten, soll Janssen ausgerufen haben:
„Diese Linien will ich auch außerhalb der Finsternisse beobachten.“

Am nächsten Tag richtete er sein mit einem Spektroskop ausgestattetes Fernrohr gleich nach Sonnenaufgang auf die Stelle des Sonnenrandes, an der er während der Finsternis eine besonders helle Protuberanz gesehen hatte.
Wenn janssen in seinem Spektroskop nur auf die Alpha-Linie des
Wasserstoffs schaute, dann war er für nahezu alles andere Licht blind. Sonnenbeobachter bis heute betrachten die Sonne gerne in diesem Licht und blenden alles andere mit Filtern weg.
Tatsächlich konnte er das Licht der Spektrallinien der Protuberanzen auch am hellen Taghimmel ausmachen. Durch den Spalt des Spektroskops
am Fernrohr sah er im Licht der roten Wasserstofflinie einen schmalen Streifen der über den Rand der Sonnenscheibe herausragenden leuchtenden Gasmassen. Wenn er das Fernrohr leicht bewegte, dann verschob sich der Spalt und bot den Anblick eines benachbarten schmalen Streifens der Protuberanz. So konnte janssen am Spektroskop Streifen
für Streifen des Sonnenrandes abtasten, zeichnen und zu einem Bild der gesamten Protuberanz zusammensetzen.

Das Arbeiten während einer Finsternis ist stets durch Hektik bestimmt, da nur wenige Minuten Zeit bleiben und sich vielleicht für Jahre keine weitere Gelegenheit bietet. Doch jetzt hatte janssen Muße, mit dem Spektroskop am Fernrohr die Protuberanzen zu zeichnen und zu verfolgen, wie sie innerhalb von Stunden empor züngelten und wieder herabsanken, sich auflösten oder nach Tagen infolge der Rotation hinter dem Sonnenrand verschwanden. janssen war von dem faszinierenden Schauspiel so gefesselt, dass er erst einen Monat später der französischen Akademie der Wissenschaften eine Nachricht darüber zukommen ließ. Fünf Minuten bevor sein Brief die Akademie erreichte,
war dort aber bereits ein Schreiben Des Astronomen Lockyer verlesen worden, in dem dieser berichtete, wie es ihm gelungen war, Protuberanzen außerhalb einer Sonnenfinsternis zu beobachten. janssen hatte zwar als erster die Protuberanzen am hellen Taghimmel beobachtet, aber Lockyer hatte seine Ergebnisse fünf Minuten früher veröffentlicht. Die Akademie fasste daher den salomonischen Beschluss, eine Medaille prägen zu
lassen, um die Entdeckung zu würdigen. Eine Seite zeigt das Portrait von Lockyer, die andere das von janssen.

Die beiden konnten zwar Protuberanzen mit ihren Spektrographen und Teleskopen beobachten, die sich am Rand der Sonnenscheibe befanden, aber Protuberanzen auf der hellen Sonnenscheibe blieben einem anderen großen Astronomen vorbehalten.

Der erst 21jährige George Ellery Hale grübelte darüber nach, wie man trotz des störenden Lichtes der Sonne bessere Fotografien gewinnen und damit mehr
auf der Fotoplatte festhalten konnte.
Zur Idee seines neuen Instrumentes soll er gesagt haben, dass sie ihm in der Straßenbahn gekommen
sei, als er aus dem Wagen heraus auf die Latten eines Lattenzaunes blickte
und sich der dahinterliegende Garten scheinbar an den Zwischenräumen vorbei bewegte. Das war die Geburt des Spektroheliographen, wie Hale das Gerät nannte, das in diesem Augenblick in seinem Kopf
entstand.

Und so funktioniert es:

Ein Teleskop wirft ein Bild der Protuberanz auf den Spalt eines Spektographen.
Dieser Spalt schneidet aus dem Bild einen schmalen Streifen heraus, und nur
das Licht dieses Ausschnittes gelangt in das Innere des Spektrographen.
Dieser wiederum erzeugt auf einer Fotoplatte ein Bild des Spaltes in
allen Farben. Man kann nun einen zweiten Spalt an die Stelle des
Spektrums setzen, wo die dunkle Alpha-Linie des Wasserstoffs steht.
Durch diesen zweiten Spalt geht nur das Licht der Wasserstofflinie des
durch den ersten Spalt ausgeblendeten Streifens der Sonnenscheibe.
Eine Fotoplatte dahinter erhält dann nur das Bild, das der erste Spalt
aus der Sonnenscheibe und der zweite Spalt aus dem Spektrum herausschneiden
Würde man die Platte entwickeln, hätte man im Licht der herausgeblendeten Wellenlänge eine Fotografie der Protuberanz. Das Bild würde aber nur einen schmalen Streifen der Erscheinung zeigen, so, als müsse man in einer Galerie ein Rembrandt-Bild im
Nebenraum durch einen mehrere Meter entfernten schmalen Türspalt betrachten, man würde kaum etwas erkennen.
Deshalb arbeitete George Ellery Hale mit folgendem Trick: Während
man das Teleskop langsam relativ zur Sonne bewegt, wandert das Bild
der Protuberanz langsam über den Spalt.

Der schmale Streifen, der fotografiert wird, wandert langsam über die Protuberanz hinweg. Wenn man jetzt die Fotoplatte hinter dem zweiten Spalt im Spektrographen mit der richtigen Geschwindigkeit bewegt, so wird
Streifen neben Streifen auf die Platte gebannt. Auf der Schicht entsteht
so ein Bild der ganzen Protuberanz.

Später schrieb ein Freund Hales, daß die Erfindung zweifellos mehr zum
Verständnis der Vorgänge am Himmel beigetragen hatte als irgendeine
andere, seitdem Galilei sein Fernrohr zum Himmel gerichtet hat.

Es gäbe hier noch viel über diesen großen Mann zu berichten. Wie wichtig er war, kann man auf jeden Fall auch daran erkennen, dass man einen Kometen nach ihm benannte, den wir 1986 mit der Raumsonde Giottto besuchten.

Dank einer Erfindung des französischen Astronomen Bernard Lyot, ist zur Beobachtung der Protuberanzen heute kein Spektroheliograph mehr nötig. Man kann Filter herstellen, die nur Licht bei einer bestimmten Wellenlänge durchlassen.
Durch diese Erfindungen konnte man schließlich auch entdecken, dass es auf der Sonnenoberfläche recht arg zugeht. Aber das, und vieles mehr muss auf einen anderen Artikel warten.

Erhellende Finsternisse – 1 von 5


Meine lieben,
das hier könnte mal wieder eine kleine fünfteilige Serie werden…
sie liegt nun hinter uns, die partielle Sonnenfinsternis vom 25.10.2022. Bei uns war es leider bewölkt, aber einige hatten ja doch Glück, was man an zahlreichen Fotos sah, die durch die sozialen Medien gingen.

Für mich stellte sich nun die Frage, was ich um Himmels Willen noch über Finsternisse schreiben soll, das ich in den letzten Jahren noch nicht mit euch geteilt habe. Macht doch mal den Spaß und gebt in das Suchfeld auf dem Blog „Finsternis“ ein. Selbst ich bin erstaunt, dass hier tatsächlich mehrere Seiten von Artikelüberschriften aufgelistet werden, die inhaltlich damit zu tun haben.

Was wir aber bisher noch gar nicht richtig behandelt haben sind die Fragen der Astrophysiker, die gerade erst durch die Beobachtung von Sonnenfinsternissen beantwortet werden konnten. Eine dieser Fragen haben wir aber schon behandelt. Einsteins Relativitätstheorie konnte tatsächlich durch eine Sonnenfinsternis bewiesen werden.

Wer das nochmal nachlesen möchte hier lang.

Im vorletzten Jahrhundert gab es innerhalb von 11 Jahren fünf Finsternisse, welche die Sonnenforschung erheblich voran brachten. Und das ist doch irgendwie lustig. Ausgerechnet dann, wenn das Objekt der Begierde verdeckt wird, sollte man am meisten darüber erfahren…

Steigen wir also ein, in das, was im Finstern erhellt wurde.

Die Frage, mit der wir einsteigen ist, dass man damals durchaus nicht wusste, ob die Protuberanzen der Sonne, oder dem Mond zuzurechnen sind. Auch über eine optische Täuschung wurde spekuliert. Wir erinnern uns. Protuberanzen sind die scheinbaren Flammenzungen die dann sichtbar werden, wenn unser Mond die Sonnenscheibe verdeckt. Ansonsten werden sie von ihr überstrahlt, und man benötigt spezielle Teleskope, um sie auch ohne die Sonne verfinsternden Mond immer sehen zu können. Dazu kommen wir aber heute noch nicht.

Also, nochmal die Frage.

„Gehören die wunderschönen Protuberanzen der Sonne, oder schmückt sich damit unser Mond, oder sind sie gar nur eine optische Täuschung, die immer bei totalen Sonnenfinsternissen auftritt?“

Die Antwort gab die Finsternis vom 18. Juli 1860 in Spanien. Zwei Gelehrte zogen mit ihren Instrumenten an den Ebro und an die spanische Mittelmeerküste. Zum ersten Mal wurde die Fotografie, damals noch Daguerreotypie genannt, zur Erforschung von Finsternissen eingesetzt.

Der Engländer Warren de la Rue (1815-1889), ein reicher Papierfabrikant, war ein Pionier in der
Fotografie astronomischer Objekte. Der jesuitenpater Angelo Secchi (1818-1887), Direktor des Collegio Romano, widmete sich in der zweiten Hälfte seines Lebens dem Studium der Sonne. Beide fotografierten
in Spanien die Protuberanzen von Orten aus, die mehrere hundert Kilometer auseinander lagen. Die Bilder glichen sich wie ein Ei dem anderen. Die roten Flammenzungen waren also reell. Mehr noch, rasch nacheinander aufgenommene Platten zeigten, dass sich der Mond vor den Protuberanzen vorbeibewegt. Damit wusste man:

Die Protuberanzen gehören zur Sonne.

Die Sonne ist so weit, etwa 150 Mio Kilometer von uns entfernt, dass die unterschiedliche Perspektive, die die beiden Herren durch ihren mehrere hundert Kilometer entfernte Beobachtungsplätze hatten, keine Rolle spielte. Der Unterschied, der sich durch die verschiedenen Beobachtungswinkel ergab, war so klein, dass er auf den Fotos nicht ins Gewicht fiel. Somit glichen sich die Bilder so sehr, als wären sie am selben Ort geschossen worden. Einige Jahrhunderte davor, wurde mittels dieser Beobachtungsmethode ein alter Glaube erschüttert, an den ich hier kurz erinnern möchte.

Der gute alte Aristoteles vertrat die Ansicht, dass alle Himmelskörper die Erde auf festen ihnen eindeutig zugewiesenen Bahnen umrundeten. Weil Kometen kamen und gingen, rechnete er sie nicht zu den Himmelskörpern, sondern hielt sie für langsam brennende Feuer in den oberen Luftschichten. Wenn Kometen atmosphärischer Natur waren, mussten sie näher als die anderen Himmelskörper bei der Erde sein. Somit sollten sie sogar näher sein als der Mond. Das war nämlich schon den alten Griechen klar, dass er der nächste Himmelskörper ist. Wie auch immer. Die Autorität Aristoteles war so groß, dass seine Lehren über 2000 Jahre gültig blieben.

Dieser Glaube und Grundfeste wurde im Jahre 1577 erschüttert. In diesem Jahr tauchten gleich zwei Kometen auf, von deren zweiten der dänische Astronom Tycho Brahe von seiner dänischen Insel aus, wo er sich ein riesiges Observatorium baute, beobachtete. Tycho hatte die Idee, die Entfernung dieses Kometen zu vermessen. Dann sollte man erfahren, ob sie wirklich atmosphärisch nahe Objekte darstellen, oder nicht.

Kennt man die Distanz zweier Beobachtungsorte, so lässt sich der Abstand berechnen. So bestimmten schon die alten Griechen die ungefähre Entfernung zum Mond.
Also vermaß Tycho die Winkel zu seinem Kometen. Diese verglich er dann mit den Daten, die ein befreundeter Astronom in Prag ermittelte. Sie unterschieden sich nicht von Tychos winkeln. Da die Entfernung beider Standorte bekannt war, konnte das nur bedeuten, dass der Komet weit entfernt sein musste, da die Winkelunterschiede deutlich kleiner waren als das, was man mit damaligen Messinstrumenten auflösen konnte.
Tychos Komet musste somit ungefähr vier mal so weit weg sein als der Mond. Wäre die Distanz kleiner gewesen, hätte er eine Parallaxe messen sollen.
Man kann an dieser Stelle gar nicht hoch genug würdigen, was für ein exzelenter Beobachter Tycho war, denn es standen ihm keine Teleskope zur Verfügung. Kometen waren also scheinbar keine atmosphärischen Objekte, sondern kamen von weit her.

Wir erinnern uns, dass diese Methode auch zum Einsatz kam, als man die Radiobilder der Umgebung zweier schwarzer Löcher machte. Wählt man noch größere Abstände, z. B. den Durchmesser der Umlaufbahn der Erde um die Sonne, dann kann man Dreiecke zu Himmelsobjekten aufspannen, die hunderte von Lichtjahren von uns entfernt sind. Seit es forschende Astronomen gibt, wurde mit dieser Parallaxen-Methode viele Entdeckungen gemacht und das Universum wurde quasi immer größer.

Eine der nächsten bahnbrechenden Entdeckungen und Erfindungen wird uns zu einer weiteren Sonnenfinsternis führen, die von Indien aus beobachtet wurde, aber nicht mehr heute…