Das Weltall – Unendlichkeit in Bewegung

Das Weltall – Unendlichkeit in Bewegung Das Weltall oder Universum ist die Welt als Ganzes, der mit Materie und Strahlung erfüllte Raum, in dem sich auch alle zeitlichen Vorgänge abspielen. Die Astronomie, die Wissenschaft von den Gestirnen, und die Kosmologie, die sich mit dem räumlichen und zeitlichen Aufbau sowie der Entstehung und Entwicklung des Universums beschäftigt, haben in den letzten Jahrzehnten grundlegende Entdeckungen gemacht und die Forschung damit aus dem Feld der Spekulation in den Bereich exakter Beobachtung und experimenteller Erhärtung geführt. Fragen nach der Entstehung des Weltalls sowie der Entwicklung der Sterne sind einer Beantwortung ein beträchtliches Stück näher gekommen; dennoch bleiben Ursprung und Ende des Universums im Ungewissen. Die moderne Technik hat es der Menschheit ermöglicht, mehr zu erkennen als simple »Sterne«. Heute wissen wir, dass das Weltall mit Phänomenen gefüllt ist, die u. a. als rote Riesen, weiße Zwerge oder schwarze Löcher bezeichnet werden. Die Sonne, das Zentralgestirn unseres Planetensystems, ist aufgrund ihrer Leuchtkraft, ihrer Temperatur und ihrer Größe nur ein durchschnittlicher Vertreter unter Milliarden Sternen. Auch die Planeten, für die Menschen lange mythologisch verklärte Himmelskörper, verlieren mehr und mehr von ihren Geheimnissen. An die sprichwörtlichen grünen Männchen auf dem Mars glaubt längst niemand mehr. Erkundungssonden haben nicht nur Neues über Venus, Jupiter oder Saturn enthüllt, einige haben sogar unser Sonnensystem verlassen. Jahr für Jahr werden neue Missionen in die Tiefe des Alls gestartet. Die von ihnen gesammelten Proben und Bilder bergen Spektakuläres und zuvor Unerblicktes. Die Tür scheint geöffnet, um in absehbarer Zeit Menschen auf den Mars zu schicken. Das Universum: Heimat unzähliger Sterne Bleibt das Weltall, wie es ist? Nein, es dehnt sich aus. Bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts glaubten die Astronomen, dass das Weltall zwar unendlich groß und alt sei, mit Ausnahme der Eigenbewegungen der Himmelskörper aber in sich statisch. Erst der US-Amerikaner Edwin Powell Hubble (1889–1953) konnte nachweisen, dass alle Galaxien voneinander fortstreben und zwar mit umso höherer Geschwindigkeit, je weiter sie voneinander entfernt sind. Messungen dieser Fluchtgeschwindigkeit ergaben, dass die Expansion des Universums wahrscheinlich die Folge einer gewaltigen Eruption vor rd. 14 Mrd. Jahren war. Zum Zeitpunkt dieses sog. Urknalls war die gesamte heute existierende Materie und Energie des Universums vermutlich so stark zusammengepresst, dass sie kleiner als ein heutiger Atomkern war. Was geschah nach dem Urknall? In den ersten Augenblicken nach dem Urknall durchlief das Weltall verschiedene Entwicklungszustände: 10 -35 Sekunden nach dem Urknall, der sog. Planck-Zeit, herrschte eine heute kaum vorstellbare Temperatur von 10 32 °C. Daran anschließend dehnte sich das Weltall aus, und gleichzeitig kühlte es sich ab. Während dieser Hyperinflation genannten Phase – das Weltall hatte etwa die Größe eines Fußballs – bildeten sich gleichsam aus dem Nichts Quarks und Leptonen, die ersten Elementarteilchen. Ungefähr den Wimpernschlag von einer hunderttausendstel Sekunde später war die Materie auf 10 Billionen °C so weit abgekühlt, dass sich die Elementarteilchen zu Protonen und Neutronen sowie deren Antiteilchen zusammenschlossen. Die meisten Teilchen und Antiteilchen »zerstrahlten« sofort wieder unter Energiefreisetzung zu Quanten. Da es jedoch einen kleinen Überschuss von Teilchen gab, konnte eine geringe Anzahl von ihnen »überleben«: Diese restlichen Teilchen bildeten die Grundlage der gesamten heutigen Materie. Bereits nach einer hundertstel Sekunde, der Hadronenära, war dieser Vorgang abgeschlossen. Wie alt sind die ersten Atome? Eine Sekunde nach dem Urknall entstanden Elektronen. Während der folgenden drei Minuten, die Temperatur betrug 1 Mrd. °C, bildeten sich die ersten Atome: überwiegend Wasserstoff und rd. 25 % Helium. Temperatur und Dichte sanken weiterhin kontinuierlich ab. Die wild umherschießenden Elektronen wurden langsamer und konnten von den Atomkernen eingefangen werden. Die ersten neutralen Atome entstanden. Durch diesen Vorgang wurde das Universum, das bis dahin aus einem undurchdringlichen Plasma elektrisch geladener Teilchen bestanden hatte, durchsichtig. Etwa 1 Mio. Jahre nach dem Urknall endete damit die Strahlungsära. Die Temperatur betrug nun 3000 °C. Die anschließend einsetzende sog. Materie- oder Sternära ist die Phase, in der wir heute leben. Übrigens: Unregelmäßigkeiten während des Urknalls führten dazu, dass die Materie im rasant expandierenden Weltall ungleichmäßig verteilt wurde. Unter dem Einfluss der Schwerkraft bildeten sich nach rd. 1 Mrd. Jahren die ersten Galaxien bzw. Galaxienhaufen, weitere 3 Mrd. Jahre später entstanden die ersten Sterne und schließlich die Planeten. Hat das All Zukunft? Ja, aber wie sie genau aussehen wird, weiß niemand. So wie die Astronomen die Vergangenheit des Universums ergründet haben, versuchen sie auch, seine Zukunft vorherzusagen. Grundsätzlich sind aus dem heutigen Blickwinkel zwei Szenarien denkbar. Im ersten Fall gehen die Forscher davon aus, dass sich das Weltall unendlich weiter ausdehnt. Dabei wird zwar die Geschwindigkeit abnehmen, doch das ändert nichts daran, dass die Galaxien immer weiter voneinander wegstreben. Irgendwann – eine genaue Vorhersage wagt niemand – wird dann der letzte Stern erloschen und die Materie in schwarzen Löchern verschwunden sein. Übrig bliebe ein nahezu leerer Kosmos. In ihm würden sich nur noch wenige Gas- und Staubwolken befinden und lediglich eine schwache Strahlung würde an den Urknall erinnern. Der zweite denkbare Fall wäre das Gegenteil des ersten. Die herrschende Schwerkraft wäre dann groß genug, um die Expansionskraft zu überwinden, von einer Ausdehnung des Universums wäre keine Rede mehr. Nachdem das Weltall seinen größten Durchmesser erreicht hätte, würde es sich immer weiter zusammenziehen. Die Galaxien würden sich mit immer größer werdender Geschwindigkeit einander annähern, die Sterne würden zusammenstoßen, die gesamte Materie sich aufheizen und schließlich Masse, Zeit und Raum in einem Punkt kollabieren, kurz: den Zustand einnehmen, den sie vor dem Urknall hatte. Denkbar, dass dann alles wieder von vorne beginnen würde. Was genau sind Sterne? Während man im volkstümlichen Sprachgebrauch alles als »Sterne« bezeichnet, was man in einer klaren Nacht als Lichtpunkte am Himmel beobachtet, sind für den Astronomen Sterne im engeren Sinn selbständig leuchtende Himmelskörper, die durch Verschmelzung von leichteren zu schwereren Atomkernen Energie erzeugen. Es handelt sich um leuchtende Gaskugeln, wie unsere Sonne, die eine große Vielfalt hinsichtlich Masse, Farbe, Temperatur und Leuchtkraft aufweisen. Wie verbrauchen Sterne ihren Energievorrat? Wie im »richtigen« Leben gibt es auch im Universum Energiesparer. Und wie im »richtigen« Leben finden sich im All ebenso Energieverschwender. Die Temperatur, die Leuchtkraft, der weitere Lebensweg und die Lebenserwartung hängen entscheidend von der Masse des Sterns ab. Je massereicher, desto höher die Zentraltemperatur und desto schneller die Verwandlung von Wasserstoff in Helium. Bereits nach – kosmisch gesehen – kurzer Zeit ist z. B. der Energievorrat der Überriesen, dabei handelt es sich um extrem leuchtstarke und große Sterne, verbraucht. Unsere Sonne ist nicht so verschwenderisch mit ihrem Energievorrat. Sie entstand vor etwa 4,5 Mrd. Jahren, und es wird mindestens ebenso lange dauern, bis der Wasserstoffvorrat in ihrem Kern verbraucht ist. Noch sparsamer sind massearme rote Zwergsterne wie der sonnennächste Fixstern Proxima Centauri. Weil sie ihre Masse so langsam in Strahlung umwandeln, werden sie wesentlich älter; Proxima Centauri wird unsere Sonne wohl um einige Milliarden Jahre überleben. Was passiert mit massearmen Sternen? Bei Sternen kann es passieren, dass sich gigantische Riesengebilde zu kleinen Sternen zurückbilden. Es ist die Masse, die über das Endstadium eines Sterns entscheidet. Rote Riesen und weiße Zwerge sind Erscheinungen auf dem Existenzweg massearmer Sterne. Ist der Wasserstoffvorrat in ihrem Inneren aufgebraucht, kommt die Kernfusion zum Erliegen. Er bläht sich zum roten Riesen auf und fällt nach mehreren Millionen Jahren zu einem weißen Zwerg mit einem Durchmesser von wenigen tausend Kilometern zusammen. Nach Milliarden Jahren wird die gesamte ihm noch innewohnende Energie abgestrahlt sein, und er verlischt als schwarzer Zwerg. Übrigens: Supernova-Ausbrüche entstehen am Ende der Entwicklung massereicher Sterne: Bei Erschöpfen aller atomaren Energiereserven fällt ein solcher Stern in sich zusammen – er wird ein Opfer seiner eigenen, extremen Schwerkraft. Bei diesem Prozess wird kurzzeitig eine enorme Menge an Energie freigesetzt, die zum charakteristischen plötzlichen Aufleuchten auf das Millionenfache der normalen Leuchtkraft führt. Dabei werden die äußeren Schichten des Sterns abgestoßen und schwere Elemente in den Raum geschleudert. Der Rest der Sternmasse kollabiert. Alles, was übrig geblieben ist, fällt zu einem extrem dichten Körper zusammen, der noch höchstens 10–20 km Durchmesser hat. Bei einem solchen Phänomen sprechen Astronomen von einem Neutronenstern. Wussten Sie, dass … Astronomen die unvorstellbaren Entfernungen im Weltall in astronomischen Einheiten messen? Eine astronomische Einheit (AE) entspricht etwa dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne, also 149,6 Mio. km. ein Lichtjahr keine Zeit-, sondern eine Längeneinheit ist? Ein Lichtjahr (Lj) ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt: 9460,8 Mrd. km; pro Minute schafft das Licht also rd. 18 Mio. km, in einer Sekunde legt es 300 000 km zurück. Was sind Quasare? Quasare, Kurzform für quasistellare Objekte, sind sternförmige Himmelsobjekte in kosmologischen Entfernungen – sehr kompakt und äußerst leuchtintensiv. In den Tiefen des Universums wurde in den letzten Jahrzehnten eine Reihe neuartiger Objekte entdeckt, die nicht in das bisher aufgestellte System von Galaxien passen. So gibt es Sternsysteme, die neben sichtbarem Licht besonders starke Radio- und Infrarotstrahlung aussenden. Unter diesen sog. aktiven Galaxien ragen vor allem diejenigen mit einem Quasar im Zentrum heraus. Bisherige Beobachtungen lassen den Schluss zu, dass die Leuchtkraft beim Sturz von Sternen in ein zentrales supermassives schwarzes Loch freigesetzt wird. Kann man 2 Mio. Lichtjahre voneinander entfernt leben und doch Nachbarn sein? Im Weltall ist das möglich. Der Andromedanebel ist eine Nachbargalaxie der Milchstraße und das einzige andere Sternensystem, das von der Erde aus mit bloßem Auge sichtbar ist. Im Herbst und im Winter kann man auf der Nordhalbkugel die Galaxie im Sternbild Andromeda als blassen Lichtfleck erkennen. Der US-amerikanische Astronom Edwin Powell Hubble entdeckte die Nachbargalaxie und berechnete ihre Entfernung von der Erde auf 2 Mio. Lichtjahre. Der sprialförmige Andromedanebel hat einen Durchmesser von 100 000 Lichtjahren. »Nur« 160 000 Lichtjahre entfernt ist die nächst gelegene Galaxie, die Große Magellan'sche Wolke, in der 1987 ein mit bloßem Auge erkennbarer Supernova-Ausbruch stattfand. Wussten Sie, dass … der erdnächste Fixstern, Proxima Centauri, 4,2 Lichtjahre entfernt ist? Auf den ersten Blick erscheint das wenig, dahinter verbergen sich jedoch 40 000 Mrd. km. Wir sehen den Stern also nicht, wie er »jetzt« ist, sondern wie er vor 4,2 Jahren war. unsere Sonne annähernd 30 000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt ist? die Masse der Milchstraße mindestens 220 Mrd. Sonnenmassen beträgt? Wenigstens 10 % machen dabei interstellares Gas und Staub aus. Wussten Sie dass … der erdnächste Fixstern, Proxima Centauri, 4,2 Lichtjahre entfernt ist? Auf den ersten Blick erscheint das wenig, dahinter verbergen sich jedoch 40 000 Mrd. km. Wir sehen den Stern also nicht, wie er »jetzt« ist, sondern wie er vor 4,2 Jahren war. unsere Sonne annähernd 30 000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt ist? die Masse der Milchstraße mindestens 220 Mrd. Sonnenmassen beträgt? Wenigstens 10 % machen dabei interstellares Gas und Staub aus. Unser Sonnensystem: Die Sonne dominiert Ist die Milchstraße durchgehend weiß? Nur auf den ersten Blick. Das Sonnensystem ist eingebettet in ein Sternsystem, die Milchstraße oder Galaxis. Wer durch ein Fernrohr schaut, sieht das einheitliche Leuchten der Milchstraße als das Strahlen von Milliarden weit entfernter Sterne. Am Nachthimmel kann man es als unregelmäßiges, schwach leuchtendes ringförmiges Band erkennen. Unsere Erde liegt als verschwindend kleiner Punkt weit außerhalb des Milchstraßenzentrums. Nur in der uns bekannten Seitenansicht erscheint die Milchstraße als Band. Betrachtet man sie von oben, wird ihre vor allem aus Kugelsternhaufen bestehende Spiralstruktur sichtbar. Übrigens: Einige Astronomen vermuten im Zentrum der Milchstraße ein schwarzes Loch, also einen Bereich extremer Materieverdichtung und Massenanziehung. So ein schwarzes Loch ist tatsächlich völlig schwarz, weil es kein Licht ausstrahlt. In jüngster Zeit haben Beobachtungen die Annahme bestärkt. Gibt es nur eine Galaxis? Ja, unsere, denn die Milchstraße wird auch Galaxis genannt. Sternensysteme außerhalb der Milchstraße heißen Galaxien. Neben Milliarden von Sternen verfügen sie über staub- und gasförmige Materie. Mittlerweile kennt man mehr als drei Milliarden Galaxien. Sie haben meist eine elliptische oder spiralförmige, seltener eine unregelmäßige Struktur. Die nächst größeren Objekte im Universum sind riesige Galaxienhaufen. Wie sah die Geburt des Sonnensystems aus? Das Sonnensystem entstand vor Milliarden von Jahren aus dem Sonnennebel. Beim Zusammenziehen dieses Gasnebels blieb dessen Drehbewegung erhalten, die den Nebel zu einer flachen Scheibe umformte. Die im Nebel vorhandenen Staubteilchen verdichteten sich schließlich zu Planeten. Am Anfang des Sonnensystems stand eine große, sich um sich selbst drehende Staubwolke, zum überwiegenden Teil aus Wasserstoff und Helium bestehend. Im Lauf von Jahrmillionen verdichtete sich die Wolke immer mehr, drehte sich immer schneller und nahm aufgrund der Fliehkraft die Form einer flachen Scheibe an. In den äußeren Bereichen bildeten sich Eiskörner, im Zentrum fand eine Kernfusion statt: Die Geburtsstunde unserer Sonne hatte geschlagen. Die in der Wolke enthaltenen Staubteilchen stießen zusammen, vereinigten sich zu immer größeren Körpern, die sich schließlich zu den Planeten zusammenschlossen. Der Sonnenwind vertrieb die Reste der leichten Gase aus dem innersten Teil des Sonnensystems. So setzen sich die inneren Planeten vor allem aus schwereren Gesteinen und Metallen zusammen. Die sonnenferneren Planeten sammelten hingegen Eis und riesige Gasmengen auf, so dass sie heute vor allem aus Wasserstoff und Helium bestehen. Durch hohe Temperaturen wurde die chemische und physikalische Beschaffenheit der Himmelskörper zum Teil stark verändert. Wie beherrscht die Sonne unser Sonnensystem? Die Sonne, unser Zentralgestirn, überstrahlt nicht nur alles andere im Sonnensystem, sie ist auch ein Schwergewicht: Als zentraler Himmelskörper verfügt sie über annähernd 99,9 % der Masse des gesamten Sonnensystems. Die Sonne ist ein kugelförmiger Stern mit einem Durchmesser von 1,392 Mio. km, um den sich die Planeten drehen. Sie strahlt Licht und Wärme aus und macht dadurch erst Leben auf der Erde möglich. Durch Massenanziehung oder Gravitation wird die Gaskugel, die zu 75 % aus Wasserstoff, zu 23 % aus Helium und zu 2 % aus schwereren Elementen besteht, zusammengehalten. Ist das Sonnensystem zwischen den Planeten leer? Ganz und gar nicht. Zu den kleinsten Himmelskörpern in unserem Sonnensystem gehören die Asteroiden (Planetoiden), die in der Mehrzahl zwischen Mars- und Jupiterbahn die Sonne umkreisen. Ihre Größe reicht von einigen Metern bis zu einigen hundert Kilometern im Durchmesser. Ceres, Pallas, Juno und Vesta wurden Anfang des 17. Jahrhunderts als erste Planetoiden entdeckt. Sie sind Kleinkörper aus der Entstehungszeit des Sonnensystems, die sich wegen der Störung durch Jupiter nicht zu einem größeren Körper zusammenfügten. Heißt es Meteoroid oder Meteorit? Es gibt beide Begriffe. Ein Meteoroid ist ein kleiner Himmelskörper, der beim Eintritt aus dem Weltall in die Erdatmosphäre eine Leuchterscheinung hervorrufen kann. Diese als Meteoren bezeichneten Leuchterscheinungen nennt man je nach Helligkeit Sternschnuppen (schwächer) oder Feuerkugeln bzw. Boliden (stärker). Trifft ein Meteoroid auf die Erdoberfläche, wird er als Meteorit bezeichnet. Unter Umständen kann ein Meteorit große Verwüstungen anrichten und einen Krater hinterlassen. Das bekannteste Beispiel ist der Meteor Crater in Arizona (USA) mit 1260 m Durchmesser und einem Alter von etwa 30 000 Jahren. Vor etwa 15 Mio. Jahren schlug ein über 500 m im Durchschnitt messender Eisen-Nickel-Meteorit in Süddeutschland ein – sein Aufschlagskrater ist das heutige Nördlinger Ries, das von Kraterrand zu Kraterrand 25 km misst. Was weiß man eigentlich über Kometen? Kometen sind mit ihren langen Schweifen besonders auffallende Himmelserscheinungen. In früheren Zeiten verbreitete ihr unvorhersehbares Erscheinen Angst und Schrecken, galten sie doch als Vorboten von Krankheit, Seuchen, Missernten, Naturkatastrophen oder Kriegen. Sie haben einen Kern, dessen Durchmesser zwischen 1 und 50 km beträgt und der sich aus Eispartikeln, gefrorenen Gasen und festen Staubteilchen zusammensetzt. Langperiodische Kometen, die sich in extrem lang gestreckten Ellipsen um unsere Sonne bewegen, stammen vermutlich aus der Oort'schen Wolke, einem riesigen Kometenreservoir, das unser Sonnensystem in einer annähernd sphärischen Form im Abstand von bis zu zwei Lichtjahren umgibt. Kurzperiodische Kometen stammen dagegen aus dem Kuiper-Ring, einer Zone, die knapp hinter der Neptunbahn liegt. Übrigens: Durch die Schwerkraft der äußeren Planeten oder nah vorbeiziehender Sterne können Kometen in ihrer Bahn gestört werden. Dann gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder werden sie ganz aus unserem Sonnensystem geschleudert oder aber sie dringen weiter in das Sonnensystem ein. Werden Kometen im inneren System von der Sonne erwärmt, verdampft ihr Eis. In einem solchen Fall entsteht um den Kern herum eine ausgedehnte Gashülle, die leuchtet. Von Astronomen wird diese Hülle Koma genannt. Der Sonnenwind drückt die Gase weg, die dann häufig einen viele Millionen Kilometer langen und für Kometen typischen Schweif bilden, der stets von der Sonnenposition abgewandt ist. Wie viel Zeit bleibt unserem Sonnensystem noch? Noch kann sich die Menschheit beruhigt zurücklehnen, es wird noch viele Generationen geben. Die Lebensdauer der Sonne und damit auch des Sonnensystems einschließlich unserer Erde wird auf insgesamt zehn Milliarden Jahre geschätzt. Weil das Sonnensystem vor 4,6 Mrd. Jahren entstand, ist unsere Uhr aber fast zur Hälfte abgelaufen. Wussten Sie, dass … der nicht sichtbare Teil der Materie im Weltall 90 % ausmacht und als dunkle Materie bezeichnet wird? Über sie kann man nur Vermutungen anstellen, denn sie lässt sich nur anhand ihrer Gravitationswirkung nachweisen. der bekannteste aller Kometen immer wieder am Himmel auftaucht? Der nach dem britischen Astronom Edmond Halley benannte Halley'sche Komet kommt alle 76 Jahre in Sonnennähe. Zuletzt konnte er 1986 von der Erde aus beobachtet werden, das nächste Mal wird er wieder 2061 zu sehen sein. sich unmittelbar nach der Sonne die vier Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun bildeten? Dieser Prozess dauerte 10 Mio. Jahre, und danach stand im Sonnensystem keine nennenswerte Gasmenge mehr zur Verfügung. Gibt es Planeten außerhalb des Sonnensystems? Ja. Diese Planeten bezeichnet man auch als Exoplaneten oder extrasolare Planeten. Bisher hat man bei etwa 60 Sternen Himmelskörper entdeckt, die vermutlich als Planeten bezeichnet werden können. Ihr Nachweis gelingt nur indirekt mithilfe des Doppler-Effekts oder durch Beobachtung der periodischen Veränderung der Helligkeit eines Sterns; das Strahlen verringert sich nämlich durch die Teilabdeckung des umkreisenden Planeten. Die gut 100 bisher entdeckten Planeten haben aber keine Ähnlichkeit mit unserer Erde. Die mittlerweile zahlreichen Planetenjäger suchen fieberhaft weiter. Woher weiß man, wie das Sonnensystem entstanden ist? Natürlich weiß man es nicht, man kann es nur vermuten. Aber 1998 gab es ein Experiment, das die Theorie der Planetenbildung stützt: An Bord einer Raumfähre (Spaceshuttle) befand sich eine Kammer, in der winzig kleine Glaskugeln zufällig umhertrieben. In der Schwerelosigkeit bildeten sie Klumpen, sobald sie mit geringen Geschwindigkeiten aneinanderstießen. Daraus leiteten die Wissenschaftler ab, dass nach diesem Prinzip auch die Planeten entstanden sein müssen. Wussten Sie, dass … Sternschnuppen nichts anderes als Teile von Kometen sind? Auf dem Weg zur Sonne verliert ein Komet große Teile an Staubpartikeln. Durchquert die Erde diesen Staubgürtel, dringen Teilchen in die obere Atmosphäre unseres Planeten ein, bringen die Luft zum Leuchten und verglühen zumeist als Sternschnuppen. größere Galaxien häufig kleinere Begleiter haben? So umlaufen die große und die kleine Magellan'sche Wolke, die als helle Wolken am südlichen Himmel erscheinen, das Milchstraßensystem. im März 1996 der Komet Hyakutake dicht an der Erde vorüberflog und mit bloßem Auge beobachtet werden konnte? Übertroffen wurde er in seiner Helligkeit vom Kometen Hale-Bopp im Frühjahr 1997. Die Sonne: Ein Bündel an Energie Wie alt ist die Sonne? Die Sonne ist zwar kein Stern der ersten Generation, dennoch ist sie nach menschlichem Ermessen uralt. Sie entstand vor etwa 4,5 Mrd. Jahren vermutlich aufgrund einer Supernovaexplosion aus einer Wolke interstellarer Materie. Durch die Schockwelle stürzte die Wolke in sich zusammen, begann zu rotieren und flachte immer weiter ab. Nachdem sich im zentralen Bereich die Materie mehr und mehr verdichtet hatte und Druck sowie Temperatur immer stärker anstiegen, begann ein nuklearer Fusionsprozess, bei dem Wasserstoffatome zu Heliumatomen verschmolzen. Dabei wurden riesige Mengen an Energie freigesetzt. Dadurch entstand ein Gleichgewicht zwischen dem nach außen wirkenden Gas- und Strahlungsdruck und der nach innen gerichteten Schwerkraft. Es war ein leuchtender Stern entstanden, der Wärme und Lichtenergie abzustrahlen begann. Aus dem restlichen Material der anfänglichen Wolke bildeten sich in der Ebene der Umlaufbahn die Planeten. Ist die Sonne ein Stern der Superlative? In unserem Sonnensystem schon, doch im universalen Maßstab ist sie ein kleines Licht. Sie befindet sich ca. 30 000 Lichtjahre vom Zentrum unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, entfernt im sog. Orionarm. Bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 250 km/s braucht sie für einen Umlauf um das galaktische Zentrum 240 Mio. Jahre. Sie ist 330 000-mal schwerer als die Erde. Ihr Durchmesser von 1 392 000 km entspricht dem 109-fachen des Erddurchmessers: Auf der Sonnenscheibe würde unser Planet samt Mondbahn bequem Platz finden. Übrigens: Auf der Oberfläche herrschen Temperaturen von etwa 5500 °C, im extrem dichten Innern erreicht die Temperatur 14,6 Mio. °C. Hier befindet sich das »Kraftwerk« der Sonne, das in einer Sekunde etwa 655 Mio. t Wasserstoff in Helium umwandelt. Bei dieser Verschmelzung verliert die Sonne etwa 5 Mio. t ihrer Masse, die in Energie umgewandelt wird. Wie bahnt sich die Energie ihren Weg? Die im Kern der Sonne frei werdende Energie wird im Wesentlichen durch Strahlung vom Innersten des Feuerballs nach außen transportiert. Dabei wird die Energie auf ihrem Weg durch die Sonnenmaterie unzählige Male abgelenkt und wieder zurückgeworfen. Etwa 200 000 km unterhalb der Oberfläche trifft die Strahlung dann auf eine Schicht, in der es für sie aufgrund der niedrigeren Temperatur kein Durchkommen gibt – doch was heißt schon niedrige Temperatur, es ist dort immer noch etwa 2 Mio. °C heiß. Stattdessen wird die Energie vom Gas am unteren Rand der Konvektionszone »eingefangen«. Dadurch entstehen heiße Gasblasen, die mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 km/s in die Höhe steigen. Diese Gasblasen werden von Wissenschaftlern auch als Granulen bezeichnet. An der Oberfläche angekommen, geben die Granulen ihre Energie wieder in Form von Strahlung frei. Dabei kühlen die Blasen ab und sinken zurück in die Tiefe. Die Lebensdauer der Granulen beläuft sich auf wenige Minuten. So gering diese Zeitspanne auch ist, sie erreichen eine immense Größe; ihr Durchmesser beträgt einige hundert Kilometer. Dieser brodelnde Vorgang lässt sich in etwa mit kochendem Wasser vergleichen, dessen strudelnde Blasen auch ständig in Bewegung sind. Diese Bewegung zeigt sich auf der Oberfläche der Sonne als körnige Hell-Dunkel-Struktur, man spricht dabei auch von Granulation. Die Sonnenoberfläche, die sog. Photosphäre, verändert also ständig ihre Form. Ist die Sonne ein einziger glühender Feuerball? Nein, denn sie lässt sich in unterschiedliche Sphären gliedern. Die Photosphäre, die auch als Lichtschicht bezeichnet wird, ist die sichtbare äußere Begrenzung der Sonnenkugel. Sie besteht aus einer 400 km dicken Gasschicht, die etwa 5500 °C heiß ist. Nach außen hin schließen sich die 2000 km mächtige Chromosphäre (Farbschicht) sowie die mehrere Millionen Kilometer weit ins Weltall hinaus reichende Korona an, die man zusammen auch als Sonnenatmosphäre bezeichnet. Warum ist die Korona nur selten zu sehen? Sie ist einfach nicht hell genug. Der strahlenförmige Lichtschein der äußeren Korona wird überwiegend durch Streuung des Sonnenlichts an festen Partikeln hervorgerufen; die innere Korona besteht zum überwiegenden Teil aus fein verteilten Gasen und freien Elektronen und Ionen. Da sie rund 10 000-mal schwächer leuchtet als die Photosphäre, kann man die Korona ohne technische Hilfsmittel mit dem bloßen Auge nur während einer totalen Sonnenfinsternis erkennen: Sie bildet dann einen Strahlenkranz um die vom Neumond vollständig bedeckte Sonnenscheibe. Übrigens: Eine Besonderheit und ein bislang ungelöstes Rätsel ist die hohe Temperatur der Korona, die von innen nach außen zunimmt und dort über 1 Mio. °C erreichen kann. Vermutlich sind relativ kleine schleifenförmige Magnetfelder für das Aufheizen verantwortlich. Was hat die Sonne mit den Polarlichtern auf der Erde zu tun? Ohne die Sonne würde es diese Lichter nicht geben: Chromosphärische Eruptionen (Flares) sind als sehr helle Bereiche auf der Sonne sichtbar. Bei ihnen handelt es sich um regional eng begrenzte und kurzlebige Erscheinungen – ihre Lebensdauer liegt zwischen wenigen Minuten und einigen Stunden. Sie setzen in dieser Zeit gewaltige Energie, sowohl Materie als auch elektrisch geladene, hochenergetische Teilchen, frei, die durch das All rasen und beim Eindringen in die Erdatmosphäre magnetische Stürme verursachen können; die Flares sind auch die eigentliche Ursache der Polarlichter. Hat die Sonne Flecken auf ihrem makellosen Gelb? Das Gelb der Sonne ist alles andere als makellos. Die augenfälligsten Erscheinungen der Sonne sind die Sonnenflecken. Darunter versteht man kalte Gebiete der Photosphäre, die aus einem zentralen Schattengebiet und einem helleren Hof bestehen – das eine wird Umbra genannt, das andere ist bei Astronomen als Penumbra bekannt. Sie kommen überwiegend in zwei Zonen vor, die parallel zum Sonnenäquator verlaufen. Ihre Größe reicht von einzelnen Flecken mit 2000 km Durchmesser bis hin zu Gruppen, die sich über 100 000 km hinziehen können. Ihre Häufigkeit schwankt in einer Periode von elf Jahren. Um die Sonnenflecken herum können sog. photosphärische Fackeln beobachtet werden, die energiereiche Materie abgeben. Die Fackeln haben eine längere Lebensdauer als die Flecken, so dass auch vereinzelte Fackelherde beobachtet werden können, die an der Stelle einer früheren Sonnenfleckengruppe noch einige Zeit weiter existieren. Die größten Sonnenfleckengruppen haben eine Lebensdauer von wenigen Monaten. Die meisten Flecken verkümmern schon nach wenigen Tagen. Warum ist der Himmel blau? Der Himmel ist gar nicht blau, wir sehen ihn nur so. Das Sonnenlicht ist ein Gemisch der verschiedenen Farben des sichtbaren Spektrums, die sich durch ihre Wellenlänge unterscheiden. Durchdringt das Sonnenlicht die Atmosphäre der Erde, streuen die Luftmoleküle die einfallenden Strahlen in alle Richtungen. Dabei wird der kurzwellige blaue Anteil etwa fünfmal stärker gestreut als der rote Anteil: Der Himmel erscheint blau. Steht jedoch die Sonne am frühen Morgen oder am späten Abend nahe dem Horizont, müssen die Lichtstrahlen einen wesentlich längeren Weg durch die wasserhaltige und mit Staubpartikeln verschmutzte Atmosphäre zurücklegen, bevor sie die Erde erreichen. Dabei geht ein großer Teil der blauen Komponente des Sonnenlichts verloren: Das Licht erscheint rötlich. Ist die Dämmerung immer gleich? Nein! Nach dem Sonnenuntergang wird es nicht sofort dunkel, da zerstreutes Sonnenlicht in höheren Schichten der Atmosphäre noch Helligkeit verbreitet. Die Länge der Dämmerung hängt davon ab, wie schnell die Sonne unter den Horizont sinkt. Wenn die Sonne weniger als 6 Grad unter dem Horizont steht, herrscht bürgerliche Dämmerung; sie dauert in Mitteleuropa 37–51 Minuten. Bei einem Sonnenstand von 6–12 Grad unter dem Horizont herrscht nautische Dämmerung, von 12–18 Grad astronomische Dämmerung und über 18 Grad völlige Dunkelheit. In hohen Breiten gehen Abend- und Morgendämmerung im Sommer ineinander über (»weiße Nächte«). Dagegen ist die Dämmerung in den Tropen wegen der steileren Sonnenbahn nur kurz – die Sonne hüpft förmlich über den Horizont. Wie wichtig ist der Abstand zwischen Sonne und Erde? Lebenswichtig! Der Abstand zwischen den beiden Himmelskörpern bewirkt, dass das für alles Leben notwendige Wasser in flüssiger Form erhalten bleibt, also weder verdampft noch zu Eis erstarrt. Zunächst drang die ultraviolette Strahlung der Sonne noch völlig ungehindert durch die Uratmosphäre. Dabei entstanden durch die Spaltung von Wasserstoffmolekülen erste kleine Mengen freier Sauerstoff. Doch erst durch das Auftreten von photosynthetisch aktiven Cyanobakterien vermehrte sich der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre merklich. Heute beträgt der Anteil von Sauerstoff 21 %; nach wie vor ist Stickstoff mit einem Anteil von 78 % dominierend. Ist Leben auf der Erde ohne Sonne möglich? Die Sonne ist die Energiequelle der Erde. Ohne ihre Wärme und ihr Licht wäre das Leben, so wie wir es kennen, nicht möglich. Von der Sonne kommt die Energie, mit deren Hilfe grüne Pflanzen Kohlendioxid und Wasser in organische Stoffe und Sauerstoff umwandeln, sie ist der Motor für das Wettergeschehen und langfristige Klimaveränderungen. Die Sonne bestimmt den Rhythmus der Jahreszeiten und letztlich den Wechsel von Hell und Dunkel, von Warm und Kalt, dem sich Pflanzen, Tiere und Menschen angepasst haben. Warum tut die Sonne dem Menschen gut? Wer leicht einen Sonnenbrand bekommt oder gar eine Sonnenallergie hat, wird das wohl anders sehen. Aber: Die Infrarotstrahlung spendet Wärme, die UV-Strahlung steuert nicht nur die Photosynthese der Pflanzen, sondern bildet auch in unserem Organismus das für die Calciumaufnahme in den Knochen wichtige Vitamin D, mobilisiert den Stoffwechsel, das Immunsystem und fördert das allgemeine Wohlbefinden. Andererseits ist vor allem die kurzwellige »harte« ultraviolette Strahlung eine Gefahr für das Leben auf der Erde, da sie in hoher Dosierung genetische Schäden und Zellmutationen auslöst, die missgebildeten Nachwuchs bzw. Krebserkrankungen verursachen können. Diese gefährliche Strahlung wird jedoch zu einem Großteil durch die Ozonschicht, einem Teil der Erdatmosphäre, von der Erdoberfläche ferngehalten. Wie sieht das Ende der Sonne aus? Auf jeden Fall dunkel! In 4–5 Mrd. Jahren wird die Sonne ihren Wasserstoffvorrat im Zentralbereich verbraucht und in Helium umgewandelt haben. Damit kommt die Kernfusion langsam aber sicher zum Erliegen und die Sonne beginnt zu schrumpfen. Sie erhitzt sich so stark, dass sie erneut Wasserstoff fusionieren kann. Doch auch diese Reserve wird irgendwann aufgebraucht sein, die Brennregion wandert immer weiter nach außen. Der aus Helium bestehende Kern nimmt dagegen immer mehr an Masse zu, schrumpft unter seinem Eigengewicht und wird im Lauf der Zeit immer heißer. Als Reaktion auf den »Energiestau« im Inneren dehnen sich die äußeren Schichten der Sonne aus. Ihr Durchmesser wird sich verhundertfachen und ihre Oberfläche abkühlen. Die Temperatur im Zentrum dieses roten Riesensterns erreicht dann 100 Mio. °C. Massearme Sterne wie unsere Sonne fallen nach mehreren Millionen Jahren schließlich zu einem weißen Zwerg mit einem Durchmesser von wenigen tausend Kilometern zusammen. Nach Milliarden Jahren wird sämtliche Energie abgestrahlt sein, und die Sonne erlischt als schwarzer Zwerg. Gibt es Fackeln auf der Sonne? Es gibt sie. Zu den spektakulärsten Merkmalen der Sonne gehören die Protuberanzen, die am Rand als helle Bögen oder leuchtende Fackeln zu beobachten sind. Auf der Sonnenscheibe sind sie als dunkle, fadenförmige Gebilde (Filamente) wahrnehmbar. Bei diesen Gasausbrüchen wird Sonnenmaterie mit hoher Geschwindigkeit bis in den Bereich der Korona geschleudert, von wo sie wieder auf die Oberfläche zurückströmt. Die Lebensdauer der Protuberanzen reicht von wenigen Stunden bis hin zu mehreren Monaten; ändert sich das Magnetfeld der Sonne, können sie sich auch ganz von der Sonne lösen. Bei solchen Massenauswürfen werden bis zu 100 Mrd. t Sonnenmaterial ins All geschleudert – mit einer Geschwindigkeit von rd. 1000 km/s. Die Energie entspricht dabei jener von mehreren Milliarden thermonuklearen Sprengköpfen. Wussten Sie, dass … die Sonne, wenn sie sich in 5 Mrd. Jahren zu einem roten Riesen aufbläht, Merkur, Venus und Erde verschlucken wird? sich nicht nur die Planeten um sich selbst drehen, sondern auch die Sonne dies tut? Bei einer Rotationsgeschwindigkeit am Äquator von 7200 km/h benötigt sie 25 Tage für eine Umdrehung. dass der Sonnenwind einen langen Atem hat? Als Sonnenwind bezeichnet man die beständige Teilchenstrahlung der Sonne. Dieser Strom aus Elektronen und Protonen dringt mit Geschwindigkeiten von 160 km/s bis zu den entferntesten Planeten unseres Sonnensystems vor. Strahlt die Sonne nur Licht und Wärme aus? Nein, nicht nur, neben der sichtbaren Strahlung, die wir mit unserem Auge wahrnehmen können, sendet die Sonne auch noch verschiedene andere elektromagnetische Wellenlängen aus. Dazu gehört die Röntgenstrahlung, die Ultraviolettstrahlung sowie die Infrarotstrahlung und die Radiostrahlung. Die kürzeren Wellenlängen der thermischen Radiostrahlung stammen vor allem aus der Photosphäre und der unteren Chromosphäre, die längeren Wellenlängen von den höheren Bereichen aus der oberen Chromosphäre und der Sonnenkorona. Wussten Sie, dass … die Energie, die im Inneren der Sonne entsteht, etwa 170 000 Jahre braucht, um an die Oberfläche zu kommen? Das Licht, das heute auf die Erde trifft, ist also älter als der Neandertaler. der Abstand zwischen Sonne und Erde durchschnittlich 150 Mio. km beträgt und das Licht etwa acht Minuten braucht, um diese Entfernung zurückzulegen? Wussten Sie, dass … die Form der Sonnenkorona von der Verteilung der Magnetfelder abhängt und im Rhythmus von elf Jahren wechselt? Während eines Maximums erscheint sie nahezu kreisförmig. Im Minimum zeigen sich in der Äquatorzone breite, weit in den Raum hinausgreifende Strahlenbündel, an den Polen dagegen nur kurze -büschel. die Sonnenflecken bereits 1610 von Galileo Galilei beobachtet wurden? Geht es auch ohne Sonne? Durchaus: Ende der 1970er Jahre stieß man bei der Erforschung der Tiefsee am Meeresboden auf heiße Quellen. Das austretende Wasser wird durch Mineralien dunkel gefärbt, deshalb heißen diese Quellen schwarze Raucher (Blacksmokers). In ihrer Umgebung haben sich ungewöhnliche Lebensgemeinschaften entwickelt. Sie ernähren sich von Bakterien, die in der heißen, lichtlosen Umgebung mithilfe der Chemosynthese im Wasser vorhandenen Schwefelwasserstoff in Sulfat umwandeln und die dabei freigesetzte Energie für ihren eigenen Stoffwechsel nutzen – Sonnenenergie wird hier nicht benötigt. Auch Bakterien, die an kalten Quellen austretendes Methan zu Wasser und Kohlendioxid verbrennen, sind nicht auf die Sonne angewiesen. Die Planeten: Auf dem Weg um die Sonne Gibt es Außenseiter unter den Planeten? Ja, denn entsprechend ihrer Entfernung zur Sonne werden sie in innere und äußere Planeten unterteilt. Zu den äußeren oder jovianischen Planeten gehören die vier Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Sie besitzen zahlreiche Monde und unterschiedlich ausgeprägte Ringsysteme. Der »Außenseiter« Pluto, der äußerste Planet des Sonnensystems, ist dagegen wie die inneren, terrestrischen Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars ein sog. Gesteinsplanet. Diese sind von geringerer Größe, haben dünnere Atmosphären, feste Oberflächen und eine hohe Dichte. Die Zahl ihrer Monde ist gering, bei Merkur und Venus fehlen sie völlig. Zwischen Mars und Jupiter befindet sich der Asteroidengürtel, der aus zehntausenden von unregelmäßig geformten Gesteinsbrocken und Kleinstplaneten besteht. Was haben Planeten und Monde gemeinsam? Die Erklärung ist eindeutig: Planeten und Monde sind kalte, aus eigener Kraft nicht leuchtende Himmelskörper, die sich auf elliptischen Bahnen bewegen – die Planeten um die Sonne, die Monde oder Trabanten um die Planeten. Bei der Entwicklung eines Sterns umkreisen Gas- und Staubteilchen den Einzelstern, bis sie aneinanderhaften. Ab einer gewissen Größe entwickeln diese Teilchenklumpen Anziehungskräfte und ballen sich zu immer größeren Einheiten, den Planeten, zusammen. Im inneren, sonnennahen Planetensystem, zu dem auch die Erde gehört, gibt es nur drei Monde, im äußeren weitaus mehr. Noch sind mit Sicherheit nicht alle entdeckt. Ist unser Mond ein Einzelgänger? Der Mond ist zwar der einzige Begleiter der Erde, aber fast alle anderen Planeten haben ebenfalls einen oder mehrere Monde. Die meisten, nämlich 63, hat Jupiter. Damit verweist der größte Planet des Sonnensystems den Saturn mit »nur« 47 Monden auf Platz zwei. Es folgen Uranus mit 27, Neptun mit 13 und Pluto mit drei Monden. Der Mars hat zwei Monde, die Erde einen, Merkur und Venus besitzen gar keinen Trabanten. Während bei den äußeren Planeten in den letzten Jahren immer wieder neue Monde entdeckt wurden, kann man sich bei den erdnahen Planeten Merkur und Venus sicher sein, keinen Mond mehr zu finden. Übrigens: Jupiter besitzt mit Ganymed auch den größten Mond unseres Sonnensystems. Er hat einen Durchmesser von 5270 km – unser Mond kommt dagegen nur auf etwa 3480 km. Würde man auf Merkur ins Schwitzen geraten? Selbst wenn wir Menschen auf Merkur leben könnten, müssten wir nicht nur schwitzen. Merkur ist zwar der sonnennächste Planet. Von daher wäre also zu vermuten, dass es auf seiner mit Kratern übersäten Oberfläche dauernd sehr heiß sein müsste. Das ist aber nicht der Fall. Merkur hat praktisch keine Atmosphäre, die ausgleichend auf die Temperaturen wirken könnte. Deshalb hat Merkur von allen großen Planeten die stärksten Temperaturgegensätze zwischen Tag- und Nachtseite. Auf der stark elliptischen Umlaufbahn erhitzt sich die sonnenzugewandte Seite bis auf + 430 °C, auf der Nachtseite fallen die Temperaturen dagegen bis auf – 200 °C ab. Nach wem ist der Planet Venus benannt? Nach der römischen Göttin der Liebe und Schönheit. Doch ist der Planet alles andere als lieblich, auch wenn er alle anderen Planeten und Sterne an Helligkeit übertrifft. Im Gegensatz zu ihrem Nachbarplaneten Merkur besitzt die Venus eine wolkenreiche, wenn auch lebensfeindliche Atmosphäre. Diese besteht vor allem aus Kohlendioxid, das auch auf der Erde für den Treibhauseffekt verantwortlich ist. Am Venusboden, wo die Temperatur weit über 400 °C beträgt, herrscht ein atmosphärischer Druck, der 90-mal größer ist als der Druck auf der Erde. Die dichten Wolken über der Venu