Sternengeschichten Folge 712: Das Röntgenrätsel um Gamma Cassiopeiae

Den Stern Gamma Cassiopeiae kann man schwer übersehen. Das Sternbild Kassiopeia ist für Mitteleuropa zirkumpolar, das heißt, es ist das ganze Jahr über in der Nacht am Himmel zu sehen. Durch die markante Form ist es auch leicht zu erkennen, und es trägt nicht umsonst den Namen "Himmels-W". Und der Stern, der genau die mittlere Spitze des "W" bildet, ist Gamma Cassiopeiae. Und ich werde mich ab jetzt darauf beschränken, den Stern "Gamma Cas" zu nennen, denn es soll ja um das Rätsel gehen, dass dieser Stern uns in der Vergangenheit aufgegeben hat und nicht um seinen Namen. Obwohl es darüber tatsächlich auch einiges zu erzählen gibt: Gerade weil der Stern so gut zu finden und zu erkennen ist, wurde und wir er gerne für die Navigation und die Orientierung verwendet. Auch in moderner Zeit, zum Beispiel von den frühen NASA-Astronauten. Einer davon war Gus Grissom, der zweite Amerikaner und dritte Mensch überhaupt im All, der tragischerweise beim Test des Apollo-1-Raumschiffs 1967 ums Leben gekommen ist. Mit vollem Namen heißt er Virgil Ivan Grissom und weil er Gamma Cas bei seinem Training und den Raumflügen immer wieder zur Orientierung verwedent hat, hat er den Stern im Scherz "Navi" genannt - also "Ivan" rückwärts gelesen. Grissom hat auch ein paar andere Sterne seiner Navigationskarte auf diese Weise umbenannt und mit rückwärts geschriebenen Namen von Kollegen versehen. Aber wie gesagt: Es soll nicht um die Namen gehen, sondern um den Stern selbst.

Aus astronomischer Sicht ist er das erste Mal 1866 auffällig geworden. Am 23. August dieses Jahres hat der italienische Astronom Angelo Secchi eine kurze Nachricht an den Herausgeber der Fachzeitschrift "Astronomische Nachrichten" geschickt. Darin schreibt er unter anderem "Für den Augenblick kann ich nicht umhin, Sie auf eine merkwürdige Besonderheit des Sterns γ Cassiopeiae aufmerksam zu machen, die bisher einzigartig ist. Diese Besonderheit besteht darin, dass, während die große Mehrheit der weißen Sterne eine sehr klare und breite f-Linie zeigt — wie α Lyrae, Sirius usw. — γ Cassiopeiae an deren Stelle eine sehr schöne helle Linie besitzt, die viel glänzender ist als der gesamte übrige Teil des Spektrums."

Damit ist natürlich nicht gemeint, dass da irgendwelche Linien um den Stern verlaufen. Secchi hat ein Spektroskop getestet, er hat das Licht des Sterns also auf ein optisches Gerät fallen lassen, um es in seine Bestandteile aufzuspalten. Ich habe darüber in den Sternengeschichten schon sehr oft gesprochen: Das Licht der Sterne ist aus allen möglichen Farben zusammengesetzt und mit den richtigen Geräten kann man diese Mischung wieder in den bunten Regenbogen aller Farben aufspalten. Und wenn man dann noch genauer hinsieht, erkennt man dunkle Linien im Regenbogen, die Spektrallinien. Sie entstehen, sehr kurz gesagt, weil das Licht auf dem Weg aus dem Inneren eines Sterns dessen Gasschichten durchquert und die Atome des Gases bestimmte Teile des Lichts quasi blockieren. Von diesen Farben gelangt weniger ins All als von den anderen und am Ende sieht man die dunklen Linien. Das wusste man damals schon; Secchi hat aber das Gegenteil beobachtet. Dort wo andere Sterne dunkle Linien zeigen, hat Gamma Cas eine helle Linie. Nicht weniger Licht gelangt ins All, sondern mehr!

Das, was Secchi da beobachtet hat, war ein Stern mit Emissionslinien. Sie sind, im Gegensatz zu den Absorptionslinien nicht dunkel, sondern leuchten heller als der Rest des Regenbogens. Emissions- und Absorptionslinien entstehen auf die selbe Art und Weise und es wäre eine eigene Folge der Sternengeschichten wert, den Prozess im Detail zu erklären. Aber ich halte es kurz: Atome können angeregt werden, zum Beispiel durch die Strahlung eines Sterns und diese Energie der Anregung geben sie dann wieder ab, bei einer ganz bestimmten Lichtwellenlänge, also Farbe. Dann kommt es darauf an, ob man Licht untersucht, das von heißem Material stammt und sich durch kühleres Gas bewegt oder nicht. Den ersten Fall haben wir bei einem normalen Stern: Im Kern ist es heiß, dort strahlt Energie ab und dieses Licht bewegt sich dann durch die kühleren äußeren Schichten. Dort werden die Atome angeregt, durch Licht mit einer ganz bestimmten Farbe, und sie geben das Licht dieser Farbe dann auch wieder ab, aber das wird in alle Richtungen gestreut und am Ende fehlt ein bisschen was davon. Es kann aber auch sein, dass man ein heißes Gas hat, das aber vergleichsweise dünn ist. Wenn das dann durch Strahlung von irgendwo angeregt wird, geben die Atome dort wieder ihr charakteristisches Licht ab, aber weil drumherum eben nur das dünne Gas ist, wird dieses Licht dann nicht so stark gestreut. Anders gesagt: Eine helle Quelle von Licht die von kühleren Gas umgeben ist, erzeugt dunkle Linien. Ein heißes, dünnes Gas alleine erzeugt helle Emissionslinien, wenn es irgendwie angeregt wird. Aber Gamma Cas ist ja definitiv kein heißes dünnes Gas, sondern ein Stern. Dort sollte es Absorptionslinien geben, keine Emissionslinien. Was geht da ab?

Gamma Cas ist das, was man eine Be-Stern nennt. So nennt man heiße Sterne, die Emissionslinien zeigen und das erklärt natürlich noch nicht viel. Es sind Sterne, die erstens sehr massereich sind, also circa das 2 bis 20fache der Sonnenmasse. Diese Sterne sind auch deutlich heißer als die Sonne und manche von ihnen können sehr schnell um ihre eigene Achse rotieren. So schnell, dass sie Masse aus ihren äußeren Schichten ins All schleudern, die dann eine Art Ring oder Scheibe um den Stern bildet. Diese Scheibe aus heißem Gas ist es, die die Emissionslinien erzeugt, wenn das Material dort durch die Strahlung des heißen Sterns angeregt wird. Secchi konnte das damals natürlich noch nicht wissen, er hat die Überlagerung von Absorptions- und Emissionslinien gesehen und für ihn sah es so aus, als wäre da nur eine helle Linie.

Heute wissen wir, dass es einige solcher Sterne gibt wie Gamma Cas und wir wissen noch mehr. In den 1970er Jahren haben wir festgestellt, dass Gamma Cas nicht nur Emissionen im normalen Licht zeigt, sondern auch im Röntgenlicht. Jeder Stern leuchtet ein bisschen im hochenergetischen Licht der Röntgenstrahlung, aber Gamma Cas tut das sehr viel stärker, als es Sterne seines Typs normalerweise tun; circa 40 mal mehr als zu erwarten wäre.

Damit ein Objekt Röntgenstrahlung aussenden kann, muss es sehr stark aufgeheizt werden. Um das zu produzieren, was man bei Gamma Cas gemessen hat, bräuchte man ein heißes Gas mit mehr als 100 Millionen Grad. Und wir haben in der Nähe von Gamma Cas ja die Scheibe aus Gas - aber sie auf 100 Millionen Grad aufzuheizen: Das würde auch Gamma Cas nicht hinkriegen. Wenn man sich das Röntgenlicht anschaut, das von Gamma Cas kommt, sieht man auch, dass es nicht konstant leuchtet, sonder immer wieder einerseits kurzfristige Intensitätsausbrüche stattfinden, die ein paar Sekunden bis Minuten dauern und andererseits periodische Schwankungen in der gesamten Helligkeit beobachtbar sind. Womit sich ein weiters Mal die Frage stellt: Was geht da ab?

Es könnte sein, dass es irgendwelche magnetischen Wechselwirkungen zwischen Stern und Gasscheibe gibt. Sowas kennen wir ja auch von der Sonne, wenn da das elektrisch geladene Plasma ihrer äußeren Schichten durch die Gegend wirbelt, kommt es auch immer wieder zu "Kurzschlüssen" bei denen jede Menge Energie freigesetzt wird. Bei einem so großen und heißen Stern wie Gamma Cas könnte es noch wilder sein; da könnten die magnetischen Ströme des Sterns bis zur Scheibe reichen und wenn dann ein "Megakurzschluss" stattfindet, könnte so viel Energie ins Plasma der Scheibe gelangen, dass sie auf die extremen Temperaturen aufgeheizt wird. Oder aber, wir stehen vor einem ähnlichen Problem wie damals Angelo Secchi: Die Röntgenstrahlung kommt nicht nur vom Stern, sondern da ist noch etwas anderes. Zum Beispiel ein Weißer Zwerg oder Neutronenstern, der Gamma Cas umkreist. Wenn dann Material von Gamma Cas oder aus der Scheibe auf diesen Begleiter fällt, kann ebenfalls Röntgenstrahlung erzeugt werden.

Um das Rätsel zu lösen, muss man nicht nur die Röntgenstrahlung an sich messen, sondern sie so genau messen, dass man auch sieht, WO sie herkommt. Also nicht nur grob "aus der Richtung von Gamma Cas". Sondern sehr viel genauer und das ist schwer. Oder besser gesagt: Es war schwer, bis die japanische Weltraumagentur JAXA im Jahr 2023 die X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission gestartet hat und ein Weltraumröntgenteleskop mit dem unausprechbaren Namen XRISM ins All geschickt hat. Damit kann man nicht nur die Emissionslinien im Röntgenlicht extrem genau beobachtet, sondern auch sehr genau bestimmen, wo die Quelle dieses Röntgenlichts ist und wie schnell sich die Quelle bewegt. Zwischen 2024 und 2025 hat man Gamma Cas mit XRISM beobachtet und das Ergebnis lautet: Der Ort, von dem die Röntgenstrahlung kommt bewegt sich und er bewegt sich auf einer Umlaufbahn um Gamma Cas herum.

Wir haben jetzt also folgendes Bild: Da ist Gamma Cas, umgeben von einer Scheibe aus heißem Gas, das die Emissionslinien erzeugt, die Angelo Secchi als erster gesehen hat. Stern und Scheibe werden von einem weißen Zwergstern umkreist, dessen Gravitationskraft Material aus der Scheibe anzieht und der deswegen selbst von einer kleinen Scheibe aus Gas umgeben ist, das auf den weißen Zwerg stürzt. Dabei strahlt es Röntgenstrahlung ab, und weil der weiße Zwerg sich bewegt und mal mehr und mal weniger Material anzieht, sehen wir Veränderungen in der Intensität der Röntgenstrahlung.

Im Laufe der Zeit hat man einige Sterne gefunden, die ähnliche Röntgenemissionen zeigen wie Gamma Cas. Die Beobachtungen von XRISM legen nahe, dass auch dort Begleiter die Ursache sein können. Und das ist aus vielen Gründen spannend. Weiße Zwerge sind ja das, was von einem sonnenähnlichen Stern übrig bleibt, wenn dort die Kernfusion zum Erliegen kommt. Gamma Cas muss also früher mal ein normales Doppelsternsystem gewesen sein, und zwar ein enges System, denn nur dann kann es zu der Wechselwirkung zwischen Stern, Scheibe und weißem Zwerg kommen. Solche engen Doppelsterne sind aber genau das, aus dem noch später schwarze Löcher entstehen können. Denn irgendwann sind beide Sterne am Ende ihres Lebens angekommen; und die weißen Zwerge oder Neutronensterne zu denen sie sich entwickeln, umkreisen einander im Laufe der Zeit immer enger. Sie kommen einander immer näher, weil sie Gravitationswellen abgeben und irgendwann kommt es zur Kollision. Beide ehemaligen Sterne verschmelzen und mit einem großen Ausbruch an Gravitationswellen entsteht aus ihnen ein schwarzes Loch. Wir haben solche Ereignisse mit den Gravitationswellendetektoren schon beobachtet, aber nur den letzen Schritt der Verschmelzung. Systeme wie Gamma Cas zeigen uns, wie es davor dort aussieht und was passiert, bevor die Gravitationswellen entstehen, die wir dann irgendwann messen können.

Die Spitze des Himmels-W hat uns einige Rätsel aufgegeben. Und wird dabei helfen, andere Rätsel lösen zu können.

Sternengeschichten Spezial Juli 2026

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Folge 6 der Spezial-Serie! Zu Beginn erzähle ich etwas über die Tianwen-2-Mission, die gerade beim Asteroid Kamo'oalewa angekommen ist, einem Quasisatelliten der Erde, um dort Bodenproben zu nehmen. Im "Backstage"-Teil geht es um die Schwierigkeiten, eine Live-Tour zu veranstalten und warum ich nicht überall hinkommen kann, wo ich gerne hinkommen würde. Danach beantworte ich eine Frage über vagabundierende Planeten und am Ende gehts auf in die Sommerferien.

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Mein neues Buch heißt “Die Farben des Universums” und ist ab jetzt überall erhältlich wo es Bücher gibt, so wie das Sternengeschichten-Hörbuch.

Meine anderen Podcast sind "Das Universum" und "Das Klima".

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Sternengeschichten Folge 711: Das CLOUD-Experiment

In dieser Folge der Sternengeschichten geht es um den Himmel. Es geht um die Wolken, die dort ab und zu zu sehen sind und es geht um den Einfluss ferner Sterne und der nahen Sonne auf die Entstehung dieser Wolken. Das klingt erstmal seltsam, denn wie soll das, was fern der Erde irgendwo im All passiert, dafür sorgen können, dass an unserem Himmel Wolken entstehen? Aber bei genauerer Betrachtung ist die Sache gar nicht mehr seltsam, sondern sehr interessant. Und nicht nur das: Es ist auch höchst relevant, denn ob wir viele oder wenige Wolken am Himmel haben, hat Einfluss auf das Klima der Erde. Der Zusammenhang zwischen Wolken und Weltall ist so wichtig, dass am europäischen Kernforschungszentrum CERN sogar ein eigenes Experiment zur Erforschung dieses Phänomens durchgeführt wurde und genau das ist das Thema dieser Folge der Sternengeschichten.

Wir müssen dafür aber ein bisschen früher anfangen, im Jahr 1912 und mit dem österreichischen Physiker Victor Franz Hess, der damals in einem Ballon aufgestiegen ist, um Messungen der elektrischen Leitfähigkeit in der Atmosphäre durchzuführen. Dabei hat er das entdeckt, was wir heute "kosmische Strahlung" nennen und worüber ich in Folge 317 der Sternengeschichten schon einmal ausführlich gesprochen habe. Kurz zusammengefasst handelt es sich dabei um geladene, hochenergetische Teilchen. Vor allem Protonen, aber zu einem kleinen Teil auch aus Alpha-Teilchen, also Atomkernen von Heliumatomen. Elektronen und ein paar andere Atomkerne sind auch in geringen Mengen dabei und die Quelle all dieser Partikel sind vor allem Sterne. Sie leuchten nicht nur, sondern schleudern auch Teilchen aus ihren äußeren Gasschichten hinaus ins All. Dazu kommen andere astrophysikalische Phänomene wie zum Beispiel Supernova-Explosionen, bei denen ebenfalls jede Menge Teilchen durch die Gegend geschleudert werden. Kurz gesagt: Das All ist voll mit geladenen Teilchen, die kreuz und quer durch die Gegend sausen. Für uns hier auf der Erde können wir die kosmische Strahlung in zwei Komponenten teilen. Da sind einerseits die Teilchen, die von unserer Sonne stammen. Und dann gibt es noch die galaktische kosmische Strahlung, also das, was von außerhalb des Sonnensystems zu uns gelangt.

Im Weltall ist die kosmische Strahlung gefährlich und gesundheitschädlich für uns; am Erdboden schützen uns Magnetfeld und Atmosphäre davor. Aber IN der Atmosphäre kann die kosmische Strahlung durchaus Auswirkungen haben. Wenn die hochenergetischen Teilchen auf die Moleküle der Luft treffen, können diese dadurch aufgespalten und ionisiert, also elektrisch geladen werden. Die Details sind komplex und wir kommen später noch darauf zurück. Aber durch die Ionisation können sich in der Luft auch leichter sogenannte Aerosole bilden, also kleinste Partikel, an denen sich Wassertröpfchen anlagern können. Die Aersole sind der Ausgangspunkt der Wolkenbildung und es gibt sie auch ganz ohne kosmische Strahlung. Pollen, Russ, Mikroorganismen, usw: Alles mögliche was in der Luft schwebt, kann die Entstehung von Wolken verursachen. Und eigentlich sollte die kosmische Strahlung da auch nicht weiter groß auffallen: Beziehungsweise nur, wenn sich ihre Intensität verändert, wenn also mal mehr und mal weniger davon auf die Erde kommt. Dann könnten wir, im selben Rhythmus, auch mal mehr und mal weniger Wolken haben. Und es gibt tatsächlich ein Phänomen, dass die Intensität der kosmischen Strahlung auf diese Weise steuern könnte: Die Aktivität der Sonne. Unser Stern ist unterschiedlich aktiv, das heißt die durch die Magnetfelder der Sonne gesteuerte Bewegung der geladenen Teilchen des Sonnenplasmas ist mal mehr und mal weniger turbulent, in einem Rhythmus von circa 11 Jahren. Dadurch ändert sich auch die Menge an Teilchen, die die Sonne ins All hinaus pustet. Es geht jetzt aber nicht um die Teilchen der Sonne selbst, sondern das, was sie mit den Teilchen anstellen, die von außerhalb des Sonnensystems kommen. Der Prozess ist kompliziert, aber im Wesentlichen läuft es so ab: Die galaktische kosmische Strahlung kommt von außen, in das Sonnensystem hinein. Die solare kosmische Strahlung bewegt sich von innen aus dem Sonnensystem hinaus. Wenn die Sonnenaktivität hoch ist, ist die Stärke dieses Teilchenstroms groß. Auch das Magnetfeld der Sonne verändert sich und die "Magnetosphäre", also der Einflussbereich des solaren Magnetfeldes vergrößert sich. Oder anders gesagt: Ist die Sonnenaktivität hoch, kann weniger galaktische kosmische Strahlung von außen ins Sonnensystem kommen. Es kommt weniger davon auf der Erde an und ihr Einfluss auf die Atmosphäre und die Wolkenbildung wird geringer. Oder noch einmal anders gesagt: Die Wolkenbedeckung der Erde könnte durch die periodische Sonnenaktivät und die dadurch verursachte periodische Veränderung der Intensität der galaktischen kosmischen Strahlung verändert werden. Die Konsequenzen sind unter Umständen sogar noch größer: Wenn in Zeiten hoher Sonnenaktivität weniger Wolken in der Atmosphäre entstehen, wird es auf der Erde heißer. Das Zusammenspiel von Sonnenaktivität und galaktischer kosmischer Strahlung könnte also das Klima der Erde beeinflussen.

Genau das war die Hypothese, die 1997 von den dänischen Physikern Eigil Friis-Christensen und Henrik Svensmark veröffentlicht wurde. Ihre Behauptung: Die Erwärmung der Erde, die man auch damals schon registriert hatte, hat nur wenig mit irgendwelchen menschengemachten Treibhausgase zu tun, sondern viel mehr mit der Sonnenaktivität. Ich habe darüber auch schon in Folge 368 der Sternengeschichten gesprochen und wer sich noch daran erinnert wird auch wissen, dass ich damals gesagt habe, dass diese Hypothese sich als falsch herausgestellt hat. Das ist immer noch der Fall, aber es lohnt sich, ein bisschen genauer darauf zu schauen, wie der Weg zu dieser Erkenntnis war. Denn erstmal ist die Hypothese von Svensmark und Friis-Christensen durchaus plausibel. All das, was ich vorhin beschrieben habe, ist tatsächlich so: Kosmische Strahlung kann einen Beitrag zur Wolkenbildung leisten. Unklar war zum damaligen Zeitpunkt aber noch das Ausmaß des Effekts. Svensmark war der Ansicht, dass der Einfluss der kosmischen Strahlung durchaus sehr relevant ist und viele andere sind ihm in dieser Interpretation gefolgt. Jede Menge Forscherinnen und Forscher waren aber auch skeptisch, weil die Datenlage nicht wirklich ausreichend war, um solche weitreichenden Aussagen treffen zu können. Und was macht man in so einem Fall? Seriöserweise forscht man weiter und kümmert sich vor allem um bessere Daten. Beides ist in den Jahren nach 1997 ausführlich passiert. In vielen hunderten wissenschaftlichen Arbeiten hat man sich auf alle möglichen Arten mit der Hypothese auseinandergesetzt. Und der britische Physiker Jasper Kirkby hat sich daran gemacht, ein Experiment zu entwerfen, um die Sache ein für alle mal zu klären. Schon 1998 hat er die Idee zu CLOUD gehabt. Das Wort bedeutet nicht nur "Wolke" auf englisch, sondern ist natürlich auch ein Akronym, wenn auch ein etwas bemühtes. CLOUD steht für "Cosmics Leaving OUtdoor Droplets", was so viel heißt wie "kosmische Strahlung erzeugt draußen Tropfen". Na ja…

Die Idee war aber gut. Kirkby war Physiker am europäischen Kernforschungszentrum CERN und hat sich gedacht: Hochenergetische Protonen und Alpha-Teilchen kriegen wir mit unseren Beschleunigern auch hin! Wir können quasi künstliche kosmische Strahlung produzieren und dann unter kontrollierten Bedingungen ihre Auswirkung auf Wolkenbildung untersuchen. Denn das war ja das Problem mit der Hypothese von Svensmark und Friis-Christensen: Man hat sie aus Beobachtungsdaten der Wolkenbedeckung abgeleitet, aus Messdaten der kosmischen Strahlung und die stammen natürlich alle aus der realen Welt. Und in der realen Atmosphäre geht jede Menge ab; da befinden sich jede Menge Gase, Teilchen, Aerosole, und so weiter und wir können das nicht alles auf einmal im Blick behalten. Viel deutlicher wird das Bild, wenn wir uns eine künstliche Atmosphäre basteln, wo nur das drin ist, was wir auch vorher reinstecken und wenn wir dann mit von uns selbst erzeugter kosmischer Strahlung drauffeuern. Dann haben wir alles unter Kontrolle und können genau schauen, unter welchen Bedingungen die kosmische Strahlung welchen Einfluss hat. Genau das war Kirkbys Idee zu CLOUD und genau das haben er und sein Team in den nächsten Jahren am CERN umgesetzt. 2006 wurde die ersten Tests gestartet, die gezeigt haben, dass die Anlage funktioniert und das macht, was sie machen soll. Und 2011 wurden dann auch die Ergebnisse des ersten echten CLOUD-Experimente publiziert. Bei den Testläufen hatte man vor allem Schwefelsäure untersucht, die in der realen Atmosphäre an der Entstehung von Wolkenbildungskernen beteiligt ist. Man hat aber auch gesehen, dass Schwefelsäure alleine nicht ausreicht, um ein realistisches Bild zu erhalten. Deswegen hat man für die echten Experimente auch noch andere Gase in die Testatmosphäre eingebracht. Zum Beispiel Ammoniak, und wenn man das in den Mengen hinzufügt, die man auch in der realen Atmosphäre findet, wird es spannend. CLOUD hat gezeigt, dass Ammoniak die Nukleationsrate von Schwefelsäure massiv erhöht. Nukleationsrate, das heißt die Rate, mit der sich Schwefelsäureteilchen zu größeren Aerosolen verbinden können. Und "massiv erhöht" heißt: Um das circa hundert bis tausendfache. Ammoniak kann sich an die Schwefelsäure anlagern und so dabei helfen, die Teilchen stabil zu halten, die ansonsten schnell wieder verdampfen würden. Die ersten CLOUD-Daten haben aber auch gezeigt, dass kosmische Strahlung zu einer Erhöhung der Nukleationsrate führt.

2013 hat man dann weitere Ergebnisse publizieren können. Diesmal hat man sich die Rolle von Aminen angesehen. Amine sind organische Moleküle, die zum Beispiel von Pflanzen erzeugt werden und die haben sich als noch effektiver herausgestellt, wenn es darum geht, die Wolkenbildungskerne anwachsen zu lassen und zu stabilisieren. So effektiv, dass der Einfluss der kosmischen Strahlung auf einmal gar nicht mehr so groß ist. Etwas vereinfacht gesagt: Ein sehr geringe Menge an Aminen in der Atmosphäre reicht aus, um quasi alles wegzunukleieren, was da ist - ob dann auch noch kosmische Strahlung ein wenig bei der Aerosolbildung hilft oder nicht, spielt fast keine Rolle mehr. Noch genauer hat man dann 2016 Bescheid gewusst: Da hat man mit CLOUD auch die Variationen der kosmischen Strahlung simuliert, die im Laufe eines Sonnenzyklus zu erwarten sind und festgestellt: Das führt nur zu einer Veränderung der Konzentration an Wolkenkondensationskernen von circa 0,1 Prozent. Spätere CLOUD-Messungen haben das bestätigt: Der Einfluss der galaktischen kosmischen Strahlung auf die Wolkenbildung existiert. Aber er ist viel zu klein, um auch nur irgendwie relevant für das Klima der Erde sein zu können. Gleichzeitig haben andere Forschungsarbeiten unabhängig von CLOUD auf anderen Wegen ebenfalls gezeigt, dass die Hypothese von Svensmark und Friis-Christensen zwar prinzipiell plausibel ist, der Effekt aber vernachlässigbar für das Klima.

Heute gibt es keinen wissenschaftlich seriösen Zweifel mehr daran, dass es die menschengemachten Treibhausgase sind, die das Erdklima erwärmen- und vom wissenschaftlich unseriösen Zweifel will ich gar nicht reden, denn natürlich geistert die Hypothese mit dem Einfluss der Sonnenaktivität auf das Klima immer noch durch die Welt, wird aber nur noch von Leuten vertreten, die entweder keine Ahnung vom Stand des Wissens haben oder ihn aktiv ignorieren um ihre eigenen Ziele durchzusetzen.

Die ganze Geschichte um die kosmische Strahlung und das Klima war aus wissenschaftlicher Sicht ein großer Erfolg. Es gab eine Hypothese, die Wissenschaft hat sich lange und ausführlich damit beschäftigt, und jetzt wissen wir mehr als vorher, auch wenn die Hypothese sich als falsch herausgestellt hat. Und auch CLOUD war ein großer Erfolg. Wir wissen jetzt zum Beispiel, wie wichtig die verschiedensten Spurengase wie Ammoniak oder Amine für die Wolkenbildung sind - und noch viel mehr. CLOUD hat auch untersucht, wie kosmische Strahlung sich zum Beispiel auf die Entstehung gesundheitsschädlicher Gase wie Ozon auswirkt; wir erforschen damit, wie extreme Strahlunsgereignisse wie Supernova-Explosionen unsere Atmosphäre vielleicht in der Vergangenheit beeinflusst haben, und so weiter. Die Wolkenkammer im Teilchenbeschleuniger wird auch in Zukunft noch weitere Erkenntnisse liefern. Und wir werden besser verstehen, wie die fernen Sterne unseren Himmel verändern können.

Sternengeschichten Folge 710: Void-Galaxien - ein Licht in der Dunkelheit

In dieser Folge der Sternengeschichten geht es hinaus in die große Leere des Universums. Die ist aber nicht völlig leer - auch dort findet man Galaxien, mitten im Nichts. Aber, fragen sich jetzt vielleicht einige, wo sollen Galaxien denn sonst sein, wenn sie nicht mitten im Nichts sind? Der Weltraum ist leer und dort wo er nicht leer ist, befinden sich die Galaxien mit ihren Sternen. Und das ist zwar richtig, aber nicht ganz. In Folge 63 der Sternengeschichten habe ich schon mal über die großräumige Struktur des Universums gesprochen. Die Materie ist nämlich nicht gleichmäßig verteilt und wenn ich "Materie" sage, dann meine ich jetzt nicht einzelne Asteroiden, Planeten oder Sterne. Wir betrachten den Kosmos jetzt auf einer viel größeren Skala. Selbst einzelne Galaxien sind noch zu klein, wir schauen auf die Galaxienhaufen und die Superhaufen, die aus vielen Galaxienhaufen bestehen. Untersucht man, wie die im Weltall verteilt sind, dann zeigt sich ein interessantes Bild. Sie sind nicht gleichmäßig oder zufällig verteilt, sondern bilden eine Struktur, die man das "kosmische Netz" nennt. Die Galaxienhaufen reihen sich zu riesigen, fadenartigen Strukturen auf, den Filamenten. Und diese Filamente umschließen ebenso riesige Leerräume, die Voids. Voids können ein paar hundert Millionen Lichtjahre groß sein und auch die Filamente erreichen eine ähnliche Länge. Aber dieses Bild ist - wie ich zu Beginn gesagt habe - ein wenig vereinfacht. In den Voids ist nicht einfach Nichts. Im Vergleich zu den Filamenten rundherum sind sie zwar mehr oder weniger leer. Aber tatsächlich findet man auch in den Voids Materie, nur eben sehr, sehr viel weniger als in den Filamenten. Es gibt sogar Galaxien, die sich mitten in den Voids befinden und das sind - wenig überraschend - die Void-Galaxien.

Genau die schauen wir uns jetzt an und es wird sich lohnen, sie angesehen zu haben. Aber dazu kommen wir später noch. Nehmen wir zum Beispiel MCG +01-02-015. Mit dieser unspektakulären Bezeichnung ist eine Spiralgalaxie gemeint, die ungefähr 300 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist. Man kann sie - ein ausreichend starkes Teleskop vorausgesetzt - am Himmel dort sehen, wo sich das Sternbild der Fische befindet. Betrachtet man typische astronomische Aufnahmen dieser Galaxie, dann sehen sie auf den ersten Blick nicht weiter außergewöhnlich aus. In der Mitte die große Spiralgalaxie und drumherum jede Menge andere Galaxien. Aber man darf dabei nicht vergessen, dass die astronomischen Bilder uns nur einen zweidimensionalen Eindruck der dreidimensionalen Realität zeigen. Nur weil da ein paar Galaxien nebeneinander zu sehen sind, bedeutet das nicht, dass sie auch tatsächlich nahe beieinander liegen. Das wahre Bild zeigt sich erst, wenn man auch die echten, physischen Abstände der Galaxien bestimmt und dann sieht man, dass MCG +01-02-015 mitten in einer großen Leere liegt. In einem Umkreis von gut 100 Millionen Lichtjahren findet sich keine andere Galaxie. Sie befindet sich mitten in einer Void und wir können froh sein, dass wir selbst einen deutlich weniger isolierten Platz im Universum bewohnen. Unsere nächste große Nachbargalaxie ist die Andromeda, mit einer Distanz von circa 2,5 Millionen Lichtjahren. Und dann sind da noch jede Menge weitere Galaxien, die mit unserer Milchstraße zusammen die Lokale Gruppe bilden. Neben der Lokalen Gruppe gibt es noch weitere Galaxiengruppen in unserer Umgebung. 54 Millionen Lichtjahre von uns entfernt sehen wir zum Beispiel die mehr als 2000 Galaxien, die den Virgo-Galaxienhaufen bilden oder anders gesagt: Die Umgebung der Milchstraße ist voll mit tausenden Galaxien. MCG +01-02-015 existiert dagegen völlig isoliert vom Rest des Universums. Würden wir dort leben, hätte sich unser Wissen über den Kosmos vermutlich ganz anders entwickelt. Wir haben schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts entdeckt, dass es andere Galaxien gibt und das Universum absurd groß ist. Würden wir dagegen von MCG +01-02-015 hinaus ins All blicken, wären unsere Teleskope erst irgendwann in den 1960er Jahren gut genug gewesen, um die Existenz anderer Galaxien entdecken zu können.

Aber zum Glück leben wir nicht in einer Void. Wir müssen nicht aus der Leere hinaus schauen, sondern können aus den dichtbesiedelten Filamenten des kosmischen Netzes die Voids und ihre Galaxien erforschen. Und haben mittlerweile schon einiges über sie herausgefunden. Es sind keine prinzipiell anderen Galaxien, die dort in der großen Leere entstehen. Aber wenn wir im Detail hinschauen, sehen wir ein paar relevante Unterschiede. Eine Untersuchung der Void-Galaxien hat zum Beispiel gezeigt, dass sie alle tendenziell jünger sind; das heißt die Sterne dort sind im Durchschnitt nicht so alt wie anderswo und sie haben eine geringere Metallizität. Der Grund dafür: Die Leere verzögert das Wachstum. Void-Galaxien bilden sich später und langsamer als andere Galaxien. Das ist auch nicht überraschend, denn in den Voids gibt es ja auch weniger Materie als anderswo und deswegen laufen die Prozesse anders ab. Ich kann in dieser Folge nicht die kompletten Grundlagen der Galaxienentstehung behandeln, aber kurz gesagt läuft das so ab: Das Universum ist voll mit riesigen Wolken aus dunkler Materie. In den Zentren dieser Wolken ist die Dichte der dunklen Materie ein bisschen größer als anderswo, deswegen ist dort auch die Gravitationskraft stärker und die normale Materie sammelt sich dort. Aus diesen Ansammlungen bilden sich im Laufe der Zeit jede Menge Sterne und eine Galaxie ist entstanden. Wie gesagt, das ist eine sehr vereinfachte Version eines enorm komplexen Vorgangs. Aber so entstehen Galaxien und so entstehen auch die Galaxien in den Voids. Nur dass da die Wolken aus dunkler Materie kleiner und weniger dicht sind. Die Gravitationskraft die sie ausüben ist geringer und es dauert länger, bis sie das bisschen an normaler Materie, das in den Voids vorhanden ist, zu Galaxien geformt haben. Da die Sterne deswegen dort tendenziell alle ein wenig jünger sind, sind auch noch nicht so viele am Ende ihres Lebens angelangt. Das ist der Grund, warum die Metallizität der Void-Galaxien geringer ist: Metalle sind in der Astronomie ja alle chemischen Elemente, die kein Wasserstoff und kein Helium sind. Und diese anderen Elemente müssen erst durch die Vorgänge im Inneren der Sterne erzeugt werden und verteilen sich dann in der Galaxie, wenn der Stern sein Leben beendet.

Es gibt auch Hinweise, dass die Void-Galaxien nicht völlig isoliert vom Rest des Universums existieren. Einerseits haben wir auch Gruppen von Void-Galaxien beobachtet. Nicht viele; die meisten von ihnen existieren tatsächlich alleine. Aber ab und zu findet man auch Gruppen, die aus zwei, drei oder manchmal noch mehr Galaxien bestehen. Diese Void-Gruppen beeinflussen sich dann so, wie es auch die Galaxien in den normalen Galaxiengruppen tun. Sie können miteinander verschmelzen, dadurch neue Sternentstehung anregen, und so weiter. Aber es gibt auch die Vermutung, dass Material von den Filamenten in die Voids gelangt. Denn auch die Leere hat Struktur. Das bisschen an Gas und anderer Materie in den Voids bildet ebenfalls schwache Filamente, dünne Ranken, und so weiter, die sich durch das Nichts ziehen und die wirken mit ihrer Gravitationskraft quasi wie Pipelines, durch die weiteres Gas aus dem kosmischen Netz zu den Void-Galaxien gelangen kann.

Aber trotz dieser schwachen Verbindungen zur Außenwelt leben die Void-Galaxien mehr oder weniger abgetrennt vom kosmischen Netz. Genau das macht sie aber so interessant für die Wissenschaft. In den wuseligen wilden Galaxienhaufen passieren jede Menge Dinge. Alles beeinflusst sich gegenseitig und es ist schwierig, ein klares Bild der Vorgänge zu kriegen. In den Voids lebt eine Galaxie aber quasi wie in einem Labor, abgeschirmt von all den äußeren Einflüssen, die ihre Erforschung verkomplizieren. Die Void-Galaxien zeigen uns, was mit einer Galaxie passiert, wenn sie einfach nur da ist und nicht vom Rest des Universums beeinflusst wird. Mit diesem Wissen können wir die viel komplexere Realität im kosmischen Netz besser verstehen. Das Licht in der Dunkelheit der Voids macht auch den Rest des Universums ein klein wenig heller für uns.

Sternengeschichten Spezial Juni 2026

STERNENGESCHICHTEN LIVE TOUR in D und Ö: Tickets unter https://sternengeschichten.live

Folge 5 der Spezial-Serie! Ich erzähle zu Beginn etwas über das interstellare Objekt 3I/Atlas, dass sehr viel älter (und kälter) als das Sonnensystem ist und uns etwas über Planetenentstehung weit vor unserer Zeit erzählen kann. Dann geht es ein wenig um den Sommer und ums Radfahren in der echten und der virtuellen Welt. Ich beantworte eine Frage aus der Hörerschaft zur dunklen Materie und schwarzen Löchern und dann ist die Spezialfolge mit eine Hinweis zur Sonnenfinsternis auch wieder zu Ende.

Die wissenschaftliche Arbeit zu 3I/Atlas gibt es hier.

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Sternengeschichten Folge 709: Der Grabstichel und der heimatlose Quasar

Der Grabstichel ist seltsam. Vor allem, weil die meisten heutzutage nicht mehr wissen, was ein Grabstichel eigentlich ist, aber dazu kommen wir noch. "Grabstichel" oder auf lateinisch "Caelum" ist auch der Name eines der achtundachtzig offiziellen Sternbilder des Himmels. Es ist aber eines der unspektakulärsten Sternbilder, zumindest auf den ersten Blick.

Von Mitteleuropa aus ist es extrem unspektakulär, denn von hier aus ist es eigentlich gar nicht zu sehen. Nur im Dezember kann man einen Teil des Sternbilds kurz sehen, aber zu sehen gibt es da eigentlich nichts. Nur zwei der Sterne dort sind heller als die 5. Größenklasse und wer die Helligkeitsklassifizierung der Astronomie kennt, weiß, dass das nicht sonderlich hell ist. Das ist gerade so an der Grenze dessen, was wir mit freiem Auge sehen können, wenn der Himmel wirklich dunkel ist. Und die restlichen Sterne sind noch leuchtschwächer. Zu den Sternen kommen wir dann noch; zuerst schauen wir kurz auf die Geschichte des Grabstichels. Eine spannende mythologische Geschichte aus der Welt der griechischen Götter ist hier nicht zu erwarten. Der Grabstichel gehört zu den vierzehn Sternbildern des südlichen Himmels, die der französische Astronom Nicolas-Louis de Lacaille im 18. Jahrhundert festgelegt hat. Er hat ab 1750 vom Kap der guten Hoffnung an der Südspitze Afrikas aus den Himmel beobachtet und kartografiert. Sein Katalog enthielt um die 10.000 Sterne des Südhimmels und um die alle in die damals auch in der wissenschaftlichen Astronomie noch üblichen Schubladen der Sternbilder einsortieren zu können, hat er ein paar neue definieren müssen. Denn am Südhimmel waren große Bereiche noch ohne Sternbilder; diese Gegend konnte man von Europa und Griechenland aus, wo die Gelehrten der Antike gelebt haben, nicht sehen. Von Südafrika aus natürlich sehr wohl und die Menschen, die schon immer dort gelebt haben, hatten natürlich eigene Sternbilder - aber das hat Leute aus Europa damals nicht interessiert. Also hat de Lacaille neue Sternbilder definiert und dabei keine mythologischen Gestalten verwendet sondern das wissenschaftliche Zeitalter der Aufklärung gefeiert. Er hat seine Sternbilder nach wissenschaftlichen Instrumenten benannt und der Grabstichel war da mit dabei.

Und ein Grabstichel ist ein Werkzeug, mit dem man Metall oder Holz gravieren kann, zum Beispiel dann, wenn man einen Kupferstich oder Holzstich anfertigen will. Das klingt jetzt nicht sehr nach Wissenschaft, aber wir befinden uns ja im 18. Jahrhundert. Da gab es keine Fotografie und wenn man Dinge abbilden und diese Abbildungen reproduzieren wollte, musste man sie malen. Oder, ein wenig exakter, einen Kupfer- oder Holzstich anfertigen. Für die Wissenschaft waren reproduzierbare Bilder damals so wichtig wie heute und der Grabstichel hat seinen Platz als wissenschaftliches Instrument am Himmel durchaus verdient.

Aber vielleicht nicht gerade diesen Platz… Wie gesagt: Das Sternbild ist erstens klein und zweitens findet man dort kaum helle Sterne. Und unter den nicht so hellen sind auch keine einzigartigen Objekte dabei; es ist eine vergleichsweise typische Auswahl. Noch am spannendsten ist vielleicht der Stern RR Caeli. Er ist 69 Lichtjahre entfernt und eigentlich zwei Sterne. Ein roter Zwergstern und ein weißer Zwerg umkreisen einander einmal alle 7 Stunden und beide werden außenrum von zwei Planeten umkreist, die beide größer als der Jupiter sind. Das vermutet man zumindest, aber entsprechende Beobachtungen aus dem Jahr 2012 sind ein wenig zweifelhaft - vielleicht gibt es dort auch keine Planeten und nur das Paar aus Zwergsternen. Abseits der Sterne findet man in dieser Region des Himmels aber leider auch keine enorm spannenden Galaxien, Nebel oder anderen Objekte. Mit einer Ausnahme: HE 0450-2958.

Die Bezeichnung klingt nicht sonderlich aufregend, aber als man dieses Objekt 2005 entdeckt hat, war die Aufregung in der Astronomie trotzdem groß. Pierre Magain und sein Team von der Universität Lüttich in Belgien haben das Ding gefunden und das "Ding" ist ein Quasar. Diese Objekte waren ja schon oft Thema in den Sternengeschichten: Kurz gesagt handelt es sich dabei um den aktiven Kern einer Galaxie. In den Zentren großer Galaxien sitzen supermassereiche schwarze Löcher. Wenn dann auch noch jede Menge Gas, Staub und anderes Zeug in der Zentralregion der Galaxie rumwirbelt, dann wirbelt viel davon auch in die Nähe des und in das schwarze Loch hinein. Dabei wird es aufgeheizt und strahlt hell. Manchmal so enorm hell, dass man diese leuchtenen Galaxienzentren auch noch über Milliarden Lichtjahre Entfernung hinweg sehen kann. Sie schauen dann auf den ersten Blick aus wie Sterne, daher auch der Name: Quasar steht für "quasi stellar", weil es natürlich keine Sterne sein können, die über solche Distanzen so hell strahlen. Normalerweise sehen wir auch nicht nur den Quasar sondern auch die ihn umgebende Galaxie. Nicht so bei HE 0450-2958: Da war nix zu finden, es war ein "nackter Quasar" beziehungsweise der "Quasar ohne Heimat" wie er in der Astronomie dann bald genannt worden ist.

Der heimatlose Quasar war ein bisschen ein Rätsel, denn eigentlich braucht es eine Galaxie, damit sich so ein supermassereiches schwarzes Loch überhaupt bilden kann. Das kann nicht isoliert und von selbst entstehen. Aber, und das war der erste Erklärungsversuch: Vielleicht sind zwei Galaxien miteinander kollidiert und der Quasar ist dabei irgendwie rausgeschleudert worden. Theoretisch ist das möglich: Wenn Galaxien aufeinander treffen, dann verschmelzen sie im Laufe der Zeit und auch die beiden zentralen Löcher verschmelzen miteinander. Dabei entstehen Gravitationswellen und wenn die nicht exakt symmetrisch abgestrahlt werden, kann das resultierende schwarze Loch eine Art "Kick" bekommen und mit ein paar hundert bis tausend Kilometer pro Sekunde aus der Galaxie geschleudert werden.

Oder aber, der Quasar ist gar nicht heimatlos, aber man kann seine Galaxie nicht sehen, weil es eine dunkle Galaxie ist, also eine, die ausschließlich aus dunkler Materie besteht. Auch so etwas ist plausibel. Wir wissen, dass der Großteil der Masse einer Galaxie aus dunkler Materie besteht, also Materie, die nicht leuchtet und auch kein Licht absorbieren oder sonst irgendwie damit wechselwirken kann. Es ist quasi unsichtbare Materie, die wir nur durch ihre Gravitationswirkung nachweisen können. Wir kennen mittlerweile auch Galaxie, die sehr, sehr viel dunkle und fast keine normale, leuchtende Materie enthalten. Und vielleicht gibt es auch komplett dunkle Galaxien.

Oder aber, der Quasar ist gerade erst dabei, seine Galaxie zu bauen. Vielleicht braucht es doch nicht zuerst eine Galaxie, in der dann ein Quasar entsteht. Vielleicht kann ein Quasar doch alleine entstehen und wenn er dann seine Strahlung in die Umgebung abgibt, und die dann auf die riesigen kosmischen Wolken aus Gas trifft, die es überall gibt, wird dort dadurch die Entstehung von Sternen ausgelöst, die am Ende eine Galaxie bilden. Wir wissen, dass auch dieser Prozess in vielen Galaxien eine wichtige Rolle spielt, aber die Details sind auch hier noch unklar.

Am Ende hat sich die Sache leider als etwas weniger spektakulär herausgestellt. Ausführliche Beobachtungen haben gezeigt, dass da doch eine vergleichsweise normale Galaxie um den angeblich nackten Quasar herum existiert. Sie ist nur vergleichsweise lichtschwach, durch Wechselwirkungen mit anderen Galaxien stark gestört; hat also eine sehr ungewöhnliche Form und wird vom Quasar selbst sehr stark überstrahlt.

Auch der "nackte Quasar" ist also nur ein normaler Teil des Himmels, so wie der ganze Rest des Sternbilds Grabstichel auch. Irgendwie ist das aber auch passend. Denn das lateinische Wort "Caelum" heißt nicht nur Grabstichel, sondern ist zufällig auch das lateinische Wort für "Himmel".

Sternengeschichten Folge 708: Dunkle Kometen

Im September 2003 hat das Teleskop des NEAT-Projekts auf Hawaii genau das getan, was es tun sollte: Nämlich einen neuen Asteroiden entdeckt. NEAT steht für Near-Earth Asteroid Tracking und war ein Programm der NASA, das zwischen 1995 und 2007 den Himmel nach Asteroiden abgesucht hat. Mehr als 40.000 davon hat man am Ende gefunden und der mit der Bezeichnung 2003 RM war einer davon. Auf den ersten Blick war an diesem Objekt, das im September 2003 entdeckt wurde, nichts weiter auffällig. Es war ein weiterer, kleiner Felsbrocken im All, vielleicht ein paar Dutzend Meter groß auf einer Umlaufbahn um die Sonne. 2003 RM ist ein erdnaher Asteroid, das heißt, seine Bahn bringt ihn in die Nähe der Erdbahn. Aber 2003 RM ist nicht gefährlich und nähert sich unserem Planeten nicht übermäßig an.

Dass es sich dabei trotzdem um ein sehr außergewöhnliches Objekt handelt, hat man erst viel später entdeckt. 2023 haben der amerikanische Astronom Davide Farnocchia und sein Team eine wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht, mit dem Titel: "2003 RM: Der Asteroid, der ein Komet sein wollte". Darin berichten sie vom Nachweis einer substanziellen nichtgravitativen Beschleunigung des kleinen Asteroids. An sich ist auch das keine große Neuigkeit. Über nichtgravitative Kräfte habe ich schon in Folge 112 erzählt. Damit sind, wenig überraschend, alle Kräfte gemeint, die auf einen Himmelskörper wirken, aber nicht die Gravitationskraft eines anderen Himmelskörpers sind. Insbesondere ist damit sehr oft der "Jarkowski-Effekt" gemeint. Kurz zusammengefasst geht es dabei um den Effekt, denn die Erwärmung und Abkühlung eines Asteroids auf seine Bewegung hat. Sonnenstrahlung wärmt den Asteroid und diese Wärme wird wieder ins All abgegeben. Wenn das ungleichmäßig passiert, dann kann die Wärmestrahlung dadurch eine kleine resultierende Kraft auf den Asteroid ausüben. Er hat dann eine Bewegung, die nicht mehr allein durch die Gravitationskraft der anderen Himmelskörper erklärt werden kann. Wir haben die Auswirkungen des Jarkowski-Effekts schon bei vielen Asteroiden nachgewiesen. Bei 2003 RM muss aber etwas anderes passieren. Farnocchia & Co konnten zeigen, dass der Jarkowski-Effekt in diesem Fall nicht in der Lage ist, das beobachtete Ausmaß der Nichtgravitativen Kraft zu erklären.

Es gibt aber natürlich noch andere Erklärungsmöglichkeiten. Eine Art von Himmelskörpern, bei denen wir ebenfalls starke nichtgravitative Kräfte beobachten, sind die Kometen. Sie bestehen ja zu einem großen Teil aus Eis, das sich erwärmt, wenn sich der Komet der Sonne nähert. Das Eis wird gasförmig und strömt hinaus ins All. Dabei wirkt es wie eine Art kleiner Raketenantrieb, der den Kometen ein Stückchen verschiebt. Aber dieses Ausgasen passiert normalerweise nicht unbemerkt; ganz im Gegenteil. Wenn das Eis gasförmig wird und ins All entkommt, reißt es dabei jede Menge Staub von der Oberfläche des Kometen mit sich ins All. So entsteht die "Koma", eine riesige Staubwolke, die den Kometenkern umgibt. Nur deswegen können wir Kometen überhaupt so gut sehen; ansonsten wären die kleinen Felsbrocken viel zu dunkel. Aber die Staubkoma kann so viel Licht reflektieren, dass wir einen Kometen unter Umständen auch ohne optische Hilfsmittel hell am Nachthimmel leuchten sehen können. Wenn dann noch die Strahlung der Sonne einen Teil des Staubs quasi davon bläst, entsteht der beeindruckende Kometenschweif.

2003 RM hat aber weder eine Koma, noch einen Schweif. Trotzdem muss dort auch irgendwas ausgasen, ansonsten lässt sich seine Bewegung kaum erklären. Der Asteroid macht also das, was normalerweise ein Komet macht, ohne dabei aber wie ein Komet auszusehen. In den Jahren danach hat man noch mehr solcher Objekte entdeckt und ihnen den Namen "dunkle Kometen" gegeben. Natürlich ist die Grenze zwischen Asteroiden und Kometen fließend. Es gibt Kometen, die im Laufe ihrer Runden um die Sonne so viel Staub und Eis verloren haben, dass sie keine Koma und keine Schweif mehr bilden können und sich kaum noch von Asteroiden unterscheiden. Und es gibt "aktive Asteroiden", also Asteroiden, die aus verschiedenen Gründen ein kometenähnliche Aktivität zeigen, und Staub und Eis hinaus ins All pusten. Das ist auch nicht überraschend, denn Asteroiden und Kometen sind ja auf die selbe Weise entstanden, nur an unterschiedlichen Orten im Sonnensystem. Die Kometen haben sich weiter entfernt von der Sonne gebildet, wo mehr Eis als Baumaterial zur Verfügung stand. Aber auch Asteroiden können Eis enthalten, das unter bestimmten Umständen ausgasen kann. Aber das sieht man normalerweise eben. Und andererseits haben die "toten" Kometen, die ihr Eis und ihren Staub verloren haben, ja auch nichts mehr, das ausgasen und nichtgravitative Kräfte verursachen kann.

Die dunklen Kometen verhalten sich da ganz anders. Man sieht die Auswirkung der nichtgravitativen Kraft, weil diese Objekte sich entsprechend bewegen. Man sieht aber nicht das, was man normalerweise sieht, wenn Eis aus einem kleinen Himmelskörper ausgast. Was also ist da los? Es gibt viele Hypothesen, warum sich die dunklen Kometen so verhalten, wie sie es tun. Sie sind tendenziell klein, so wie 2003 RM es ja auch ist. Das bedeutet aber auch, das nur vergleichsweise wenig Gas ausströmen muss, um sie relevant zu bewegen und vielleicht reicht das nicht, um auch eine sichtbare Koma zu erzeugen. Das Eis der Kometen ist im Allgemeinen auch vor allem Wassereis, es gibt aber auch andere gefrorene Stoffe, zum Beispiel Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid. Dieses Gas ist ein bisschen flüchtiger als Wasserdampf und reißt unter Umständen weniger Staub mit sich. Oder aber die dunklen Kometen besitzen weniger Staub auf ihrer Oberfläche als üblich. Normalerweise sind Asteroiden ja eher fliegende Schutthaufen als kompakte, steinige Objekte. Ihre Oberfläche ist voll mit Staub und losem Material, das leicht ins All gerissen werden kann. Bei Kometen ist das ähnlich, aber es gibt auch Prozesse, die so einen Asteroid quasi abstauben können. Zum Beispiel Kollisionen, oder aber auch eine schnelle Rotation. Ich habe ihn Folge 112 auch kurz über den sogenannten YORP-Effekt gesprochen: Da führt asymmetrische Erwärmung und Abkühlung eines Himmelskörpers zu einer Erhöhung seiner Rotationsrate. Wenn sich der Asteroid zu schnell um seine Achse dreht, kann er quasi auseinanderfallen und die einzelnen Bestandteile des fliegenden Schutthaufens trennen sich. Dabei kann auch Staub verloren gehen und die dunklen Kometen könnten das letzte Stadium so einer katastrophalen Fragmentation sein. Vielleicht ist auch das Material aus dem der dunkle Komet besteht ein wenig gröber als der übliche feine Staub und entkommt so schwerer ins All.

Es gibt viele Möglichkeiten, die Existenz der dunklen Kometen zu erklären und vermutlich spielen alle Effekte auf die eine oder andere Weise eine Rolle. Klar ist auf jeden Fall: Es lohnt sich, sie zu erforschen. Einerseits, weil sie schlicht und einfach interessant sind. Und andererseits, weil sie ein paar wichtige Informationen liefern könnten. Die dunklen Kometen können keine echten Kometen sein, also keine Objekte die fern der Sonne entstanden sind, wo genug gefrorenes Baumaterial zur Verfügung gestanden hat. Ansonsten würden sie sich ja auch wie echte Kometen verhalten… Die dunklen Kometen müssen dort entstanden sein, wo auch die anderen Asteroiden entstanden sind, also näher an der Sonne. Aber sie enthalten ausreichend viel gefrorenes Material um eine relevante Ausgasung zu haben. Das bedeutet: Es muss in der Entstehungszeit des Sonnensystems auch näher an der Sonne Bereiche gegeben haben, in denen leicht flüchtige Stoffe wie eben Eis existiert haben. Das ist interessant, denn wenn das so war, dann hat das Auswirkungen auf unsere Vorstellungen zur Entstehung von Planeten wie der Erde. Wir haben ja - zum Glück - jede Menge leicht flüchtige Stoffe, wie zum Beispiel Wasser. Ein großer Teil davon ist durch Asteroiden und Kometen die nach der Entstehung der Erde bei uns eingeschlagen sind, geliefert worden. Aber wenn es dieses Zeug auch viel näher an der Sonne gegeben hat, als wir bisher gedacht haben, dann ist vielleicht auch mehr davon direkt bei der Entstehung der Erde in den Planeten quasi eingebaut worden, als wir vermutet haben. Die dunklen Kometen sind immer noch nicht restlos verstanden. Aber wenn wir irgendwann Licht in ihre Dunkelheit gebracht haben, verstehen wir vielleicht auch unsere eigene Erde ein wenig besser.

Sternengeschichten Folge 707: Das Asymptotische Schweigen der Singularität

"Am Anfang war das Wort". So beginnt die Schöpfung der Welt im Johannes-Evangelium der christlichen Bibel. Als wissenschaftliche Quelle ist die natürlich nicht zu gebrauchen. Und in diesem Fall gilt das ganz besonders, denn vielleicht war am Anfang nicht das Wort, sondern Schweigen. In der heutigen Folge der Sternengeschichten geht es um ein Konzept aus der theoretischen Kosmologie, das mit dem schönen Begriff "Asymptotisches Schweigen" bezeichnet wird. Und wie so gut wie alles aus der theoretischen Kosmologie ist das, worum es geht, eigentlich kaum in normaler Sprache zu beschreiben sondern nur mit sehr viel sehr komplizierter Mathematik. Aber ich werde mich bemühen, dass wir am Ende dieser Folge zumindest einen brauchbaren Eindruck davon haben, worum es geht.

Dazu müssen wir zuerst zwei andere Konzepte betrachten: Singularitäten und Lichtkegel. Fangen wir mit den Singularitäten an. Ich habe darüber schon in einigen anderen Folgen der Sternengeschichten gesprochen. Eine Singularität ist in der Astronomie ein Ort, an dem die Gravitation so außerordentlich stark ist, dass die Krümmung der Raumzeit divergiert. Oder, etwas vereinfacht: Ein Ort, an dem die Krümmung der Raumzeit unendlich groß ist. Singularitäten sind Orte, an denen die normale Beschreibung der Raumzeit nicht mehr funktioniert; sie sind demnach auch gar keine Orte IN der Raumzeit mehr. Eine Singularität ist zum Beispiel das, was sich hinter dem Ereignishorizont eines schwarzen Lochs verbirgt. Beziehungsweise: Die Theorien mit denen wir schwarze Löcher zur Zeit beschreiben, führen am Ende zu einer Singularität. Wenn - wie bei der Entstehung eines schwarzen Lochs - Masse unter ihrer eigenen Gravitationskraft immer weiter in sich zusammenfällt, wird auch ihre Dichte immer größer. Dadurch wird die Raumkrümmung in der Umgebung der Masse immer größer und wenn nichts diesen Prozess aufhält, landen wir am Ende bei einem Punkt mit unendlicher Raumkrümmung; einer Singularität. Wir gehen heute davon aus, dass irgendetwas passiert, bevor es so weit ist und dass Singularitäten in echt nicht existieren können. Aber mit letzter Sicherheit wissen wir es nicht. Eine andere Art der Singularität ist der Urknall: Auch das ist, in der derzeitigen wissenschaftlichen Beschreibung, ein Zeitpunkt, an dem die gesamte Energie beziehungsweise Masse des Universums in einem Punkt konzentriert war und die Raumkrümmung unendlich groß gewesen sein muss.

Singularitäten selbst können wir mit den derzeitigen Theorien der Wissenschaft nicht beschreiben. Das ist kein Fehler; das liegt in der Natur der Sache, denn Singularitäten sind ja gerade die Momente/Zeitpunkte, in denen physikalische Größen wie eben die Raumkrümmung oder die Energiedichte oder die Temperatur unendlich groß werden - oder, wenn es um die Ausdehnung der Objekte geht, unendlich klein. Unendliche Größen sind aber unphysikalisch, so etwas kann nicht existieren. Singularitäten sagen uns also vor allem, dass wir das, was da passiert, nicht vernünftig beschreiben können. Wir können mit unseren Theorien aber durchaus beschreiben, was passiert, wenn man sich einer Singularität nähert. Wir können beschreiben, was kurz davor passiert beziehungsweise wie beim Urknall, kurz danach. Und auch das Asymptotische Schweigen ist etwas, was mit den Bedingungen unmittelbar vor einer Singularität zu tun hat.

Zuerst müssen wir uns aber noch die Sache mit den Lichtkegeln anschauen. Das ist ein Konzept aus der Relativitätstheorie. Die sagt uns ja, dass sich nichts schneller als das Licht durch das Universum bewegen kann. Wenn wir Informationen von einem Ort des Kosmos zu einem anderen schicken wollen, dann geht das nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit ist aber nicht einfach nur ein Geschwindigkeitslimit, sondern auch quasi eine Obergrenze für Kausalität. Das kann man sich in etwa so vorstellen:

Wenn ich hier auf der Erde genau JETZT ein Signal hinaus ins Weltall schicke, dann dauert es circa 1,3 Sekunden, bis es beim Mond angekommen ist. Schneller geht es nicht. Und das bedeutet: Was auch immer auf der Erde passiert, für den Mond ist es frühestens 1,3 Sekunden später relevant. Wenn die Erde spontan verschwinden würde, würde der Mond den Verlust ihrer Anziehungskraft erst nach 1,3 Sekunden spüren. Und so weiter - in diesem Fall merkt man das kaum. Aber wenn nicht die Erde, sondern die Sonne plötzlich verschwinden würde, würden wir das erst nach 8 Minuten merken. 8 Minuten lang würde sich die Erde weiter auf ihrer Umlaufbahn bewegen, so als ob nichts wäre. Weil aus Sicht der Erde ja auch nichts passiert ist! Kausalität, also der Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung, kann sich nur mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Die Wirkung - die Erde verlässt ihre Umlaufbahn - kommt in diesem Fall erst 8 Minuten nach der Ursache - dem Verschwinden der Sonne - weil man die Distanz zwischen Sonne und Erde höchstens mit Lichtgeschwindigkeit zurücklegen kann und das 8 Minuten dauert. Würde man die Sonne von unserem Nachbarstern Alpha Centauri aus beobachten, der knapp 4 Lichtjahre entfernt ist, dann würde man dort das Verschwinden erst 4 Jahre später bemerken, als man es auf der Erde bemerkt hat. Obwohl es auch nicht unbedingt korrekt ist, in diesem Fall von "später" zu reden, denn es ist ja schon der frühestmögliche Zeitpunkt an dem man es merken kann, zumindest von Alpha Centauri aus gesehen. Es kommt eben immer auf den Standpunkt an - genau darum geht es ja in der Relativitätstheorie und Einstein hat sich viele Gedanken darüber gemacht, was "Gleichzeitigkeit" eigentlich wirklich bedeuten soll und warum es so etwas auf einem universalen Maßstab nicht geben kann.

Aber das soll uns jetzt vorerst nicht interessieren. Wichtig ist: Die Lichtgeschwindigkeit legt fest, welche Bereiche des Universums kausal miteinander verknüpft sind. Beziehungsweise welche Bereiche des Universums einander beeinflussen können. Wir wissen ja, dass das Universum expandiert. Je weiter zwei Orte voneinander entfernt sind, desto schneller dehnt sich der Raum zwischen ihnen aus. Stellen wir uns jetzt zwei Orte im Universum vor, die so enorm weit voneinander entfernt sind, dass sich der Raum zwischen ihnen mit mehr als der Lichtgeschwindigkeit ausdehnt. Das ist übrigens erlaubt, denn erstens darf sich nur nichts schneller als das Licht DURCH den Raum bewegen; mit der Expansion des Raums selbst hat das nichts zu tun. Und zweitens ist auch das wieder ein Punkt, wo es auf den Blickwinkel ankommt. Der Raum dehnt sich nicht wirklich mit Überlichtgeschwindigkeit aus, es kommt immer darauf an, wie man es betrachtet. Ich habe das ausführlich in Folge 249 der Sternengeschichten erzählt und wer möchte, kann das dort nochmal nachhören.

Also: Wir haben zwei Orte und der Raum dazwischen dehnt sich schneller als das Licht aus. Das bedeutet dann aber auch: Die beiden können einander niemals irgendwie beeinflussen. Licht von einem Ort kann niemals den anderen erreichen. Es gibt keinerlei kausalen Zusammenhang zwischen den beiden Orten; sie befinden sich quasi in unterschiedlichen Universen. Oder anders gesagt: Die Lichtkegel der beiden Orten überschneiden sich nicht, denn mit Lichtkegel meint man genau den Bereich, der von einem bestimmten Ort aus zumindest theoretisch irgendwie kausal beeinflusst werden kann.

So. Jetzt haben wir zwei grundlegende Konzepte für das Verständnis des Asymptotischen Schweigens. Jetzt fehlen noch Jewgeni Michailowitsch Lifschitz, Isaak Markowitsch Chalatnikow und Wladimir Alexejewitsch Belinski. Diese drei sowjetischen Physiker haben die Sache mit dem Asymptotischen Schweigen in den 1970er und frühen 1980er Jahren entdeckt. Wie ich schon zu Beginn gesagt habe: Die Mathematik die dahinter steht, ist enorm komplex. Aber im Prinzip geht es um folgendes: Die drei haben sich angeschaut, was ganz in der Nähe einer Singularität mit der kausalen Beziehung zwischen benachbarten Orten passiert. Man könnte ja eigentlich denken, dass das nicht schwer zu untersuchen ist. Wenn da, wie bei einem schwarzen Loch oder dem Urknall, die gesamte Materie immer weiter komprimiert wird, dann rückt alles immer weiter zusammen. Und dann muss es ja eigentlich viel leichter sein, dass alles da miteinander wechselwirkt und sich beeinflusst. Aber, und das war das überraschende Ergebnis, so ist es nicht. Das, was bei, beziehungsweise in der unmittelbaren Umgebung einer Singularität passiert, ist viel komplizierter. Die Raumzeit wird nicht einfach nur immer stärker und stärker gekrümmt. Das passiert zwar, aber nicht in alle Raumrichtungen gleich schnell gleich stark. Unterschiedliche Raumregionen verändern sich unterschiedlich schnell. Das klingt jetzt erstmal nicht sonderlich aufregend. Aber vielleicht hilft ein Vergleich: Stellt euch vor, ihr würdet mit einer Freundin jeden Tag eine Nachricht austauschen. Darin erzählt ihr einander, was so los ist, gebt euch Ratschläge, was man im Leben so tun und verändern könnte, und so weiter. Aber plötzlich kommt ein böser Zauberer und verhext euch. Ihr altert viel schneller als der Rest der Welt; euer Leben verändert sich in Minuten so stark wie es bei anderen vielleicht nur in ein paar Jahren der Fall ist. Und, das ist wichtig - für euch beide läuft das unterschiedlich schnell ab. Jetzt macht es gar keinen Sinn mehr, wenn ihr euch weiterhin jeden Tag eine Nachricht schickt. Deine Freundin hat sich in der Zeit vielleicht so enorm verändert, dass das, was du schreibst, überhaupt nicht mehr relevant ist. Ihr könnt keinen sinnvollen Einfluss auf das Leben der jeweils anderen Person nehmen.

Ok, das ist vielleicht ein etwas schiefes Beispiel; unter Umständen vielleicht sogar zu schief. Aber Lifschitz, Chalatnikow und Belinski haben herausgefunden, dass genau so etwas ähnliches mit den Punkten der Raumzeit in der Nähe einer Singularität passiert. Die Raumzeit wird nicht einfach nur gekrümmt, sie wird im übertragenen Sinn wild und chaotisch hin und her gedreht und durcheinander gewirbelt. Sie verändert sich unterschiedlich schnell je nachdem um welche Raumrichtung es geht. Und wenn man das alles mathematisch korrekt untersucht kommt am Ende raus: Die kausalen Zusammenhänge zwischen den Punkten verschwinden. Die jeweiligen Lichtkegel werden immer schmaler und überlappen sich nicht mehr. Nicht, weil die Lichtgeschwindigkeit sich ändert. Sondern, und das ist wieder sehr vereinfacht gesagt, weil dem Licht der Raum fehlt, durch den es irgendwie anderswo hingelangen könnte. Die Raumzeit ist so wild, dass jeder einzelne Punkt sich absurd schnell verändert und so schnell, dass keine Information von anderen Punkten rechtzeitig eintreffen und diese Entwicklung irgendwie beeinflussen kann. Es gibt keine räumliche Kopplung mehr, oder anders gesagt: Der Raum fällt quasi auseinander. Die Punkte des Raums sind nicht mehr kausal miteinander verbunden. Alles wird extrem lokal. Nichts was an einem bestimmten Ort passiert hat irgendeinen Einfluss auf das, was an einem anderen Ort passiert. Oder noch einmal anders gesagt: Es gibt keine Kommunikation mehr. Und das Phänomen wird um so stärker, je näher wir der Singularität kommen. Das ist das "Asymptotische Schweigen" - am Ende kann überhaupt keine Kommunikation mehr stattfinden, es gibt nur noch Schweigen.

Es ist ein bisschen schwer zu sagen, was daraus nun genau folgt. Einerseits ist das alles, wie gesagt, eine rein mathematische Sache. Wir haben nichts davon in echt beobachtet. Das Asymptotische Schweigen folgt, wenn man die Gleichungen der Relativitätstheorie auf eine bestimmte Art löst. Wir wissen aber, dass diese Gleichungen noch nicht das letzte Wort sein können. Am Ende brauchen wir eine Theorie, die in der Lage ist, nicht nur mit enormer Raumkrümmung umzugehen, sondern auch die quantenmechanischen Phänomene der Mikrowelt berücksichtigt. Wir brauchen eine Quantentheorie der Gravitation und dann können wir schauen, was da wirklich bei den angeblichen Singularitäten los ist. So eine Theorie haben wir noch nicht, aber es gibt Ansätze, die zeigen, dass das Asymptotische Schweigen vielleicht wirklich Teil so einer Quantengravitation sein könnte. Was das für unser Verständnis der schwarzen Löcher heißt oder für den Urknall oder ein mögliches Ende des Universums, wenn es in fernster Zukunft wieder mal in sich zusammenfallen und zu einer Singularität werden könnte: Das müssen wir dann erst noch rauskriegen. Aber vielleicht war das Schweigen nicht nur am Anfang. Vielleicht endet auch alles wieder in Schweigen.

Sternengeschichten Folge 706: Die Planetenlücke und schrumpfende Himmelskörper

In dieser Folge der Sternengeschichten geht es nicht um etwas, sondern um etwas, wo nichts ist. Es geht um eine Lücke und zwar um die "Planetenlücke" oder die "Fulton-Lücke". Damit ist allerdings keine Lücke IN einem Planeten gemeint. Auch nicht eine Lücke zwischen Planeten. Die gibt es natürlich immer; zwischen den Planeten eines Planetensystems ist immer jede Menge leerer Weltraum; das ist normal und wäre kein Thema für eine eigene Podcastfolge. Die Lücke, um die es geht, ist eine, die sich nicht im echten Raum befindet, sondern eine, die mit den Eigenschaften der Planeten zu tun hat. Und um das zu verstehen, müssen wir uns deshalb zuerst einmal ansehen, was für Planeten es im Universum gibt.

Fangen wir im Sonnensystem an. Die acht Planeten die wir haben, kennen wir alle: Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Merkur ist der kleinste davon und Jupiter der größte. Und wenn ich jetzt und im folgenden "der kleinste" und "der größte" sage, dann beziehe ich mich auch tatsächlich auf die Größe, also den Radius des Planeten. Oft bin ich - und nicht nur ich alleine - da ja ein wenig ungenau und meine einen Planeten mit einer großen Masse, wenn ich von einem "großen" Planeten spreche. Im Fall von Merkur und Jupiter wäre das egal; der Merkur ist auch der Planet mit der kleinsten Masse im Sonnensystem und Jupiter der mit der größten und ganz allgemein haben größere Planeten meistens auch eine größere Masse. Aber der Unterschied zwischen Größe und Masse wird später noch relevant.

Ordnen wir jetzt also mal die Planeten des Sonnensystems ihrer Größe nach. Merkur hat 0,38 Erdradien, dann kommt Mars mit 0,53 Erdradien. Dann die Venus, die mit 0,94 Erdradien fast so groß wie die Erde selbst ist. Größer als die Erde ist Neptun, mit 3,8 Erdradien, dann kommt Uranus mit 4 Erdradien und dann die beiden Riesen im Sonnensystem; Saturn und Jupiter mit 9,5 beziehungsweise 11,2 Erdradien. Auf den ersten Blick ist daran nichts besonders auffällig. Wir haben kleine Planeten und große Planeten und welche dazwischen. Bei genauerer Betrachtung sieht man aber ein paar Besonderheiten. Auf der einen Seite haben wir Planeten wie Mars, Venus und Erde, die alle zwischen einem halben und einem ganzen Erdradius groß sind. Und auf der anderen Seite die "Eisriesen" Uranus und Neptun mit circa dem 4fachen Erdradius. Und warum wir diese Himmelskörper "Eisriesen" nennen und sie von den noch größeren Gasriesen wie Jupiter und Saturn trennen, ist wieder eine ganz andere Geschichte die auf eine andere Folge warten muss. So oder so sehen wir eine Lücke, nämlich zwischen der Erde und Neptun. Es gibt im Sonnensystem keine Planeten die doppelt oder dreifach so groß sind wie die Erde. Das muss aber erstmal nichts bedeuten, denn es gibt ja auch jede Menge Planeten außerhalb des Sonnensystems. Wir kennen tausende davon und wir wissen, dass da auch jede Menge Himmelskörper dabei sind, die wir in dieser Form bei uns nicht finden. Zum Beispiel die "Supererden", über die ich in Folge 34 der Sternengeschichten schon einmal ausführlich gesprochen habe. Das sind Planeten, die mehr Masse (Achtung, jetzt geht es wieder um die Masse) als die Erde haben, aber weniger als Neptun. Diese Supererden sind dann aber auch tendenziell ein wenig größer als die Erde, bis zum eineinhalbfachen Radius. Obwohl sie größer und massereicher als die Erde sind, haben sie immer noch eine feste Oberfläche und einen Mantel aus Gestein, so wie die Erde. Von denen haben wir da draußen im All schon einige entdeckt, genau so wie "Sub-Neptune" oder "Mini-Neptune". Das sind Planeten, deren Radius kleiner ist als der des Neptun. Diese Planeten haben vermutlich einen felsigen Kern, der von einer ausgedehnten Gashülle aus Wasserstoff und Helium umgeben ist, so wie es auch bei Neptun der Fall ist.

Es gibt also da draußen Planeten, die größer als die Erde und kleiner als Neptun sind. Aber, und das ist der Punkt um den es in dieser Folge geht: Planeten können anscheinend nicht einfach irgendwelche Größen haben. Nimmt man alle Planeten zusammen, die wir kennen und schaut sich ihre Größe an, dann findet man darunter viele kleine Planeten, wie die Erde und auch Supererden, die ein bisschen größer sind. Und man findet jede Menge größere Planeten wie Neptun und einen ganzen Haufen Mini-Neptune, die ein wenig kleiner sind. Tatsächlich sind die Mini-Neptune der häufigsten Planetentyp in der Milchstraße, aber auch das ist wieder eine andere Geschichte. Wir finden aber keine oder nur sehr wenige Planeten mit einem Radius der zwischen dem eineinhalbfachen und dem doppelten Erdradius liegt. Das ist die Lücke, um die es geht und es ist tatsächlich eine Lücke. Wir haben mittlerweile genug Planeten anderer Sterne untersucht. Wenn diese fehlenden Planeten genau so häufig wären wie die anderen, dann hätten wir sie gefunden. Es ist auch kein Problem der Präzision. Natürlich ist es nicht einfach, die Größe eines Planeten zu bestimmen, der einen anderen Stern umkreist. Dazu müssen wir unter anderem wissen, wie groß der Stern selbst ist. Aber auch da haben wir in den letzten Jahrzehnten immer genauere Daten gewonnen und die Lücke ist immer noch da. Aus irgendeinem Grund scheint das Universum etwas gegen Planeten zu haben, die eineinhalb bis zweimal so groß wie die Erde sind.

Das erste Mal im Detail erforscht und dargestellt wurde die Lücke in der Verteilung der Planetengrößen im Jahr 2017 in einer wissenschaftlichen Arbeit unter der Leitung des amerikanischen Astronomen Benjamin Fulton, weswegen man die Planetenlücke oft auch als "Fulton-Gap", also "Fulton-Lücke" bezeichnet. Und natürlich hat man sich seitdem jede Menge Gedanken darüber gemacht, was die Ursache dafür sein könnte. Es wäre eigentlich überraschend, wenn Planeten der fehlenden Größe nicht entstehen könnten. Nichts was wir über die Entstehung von Planeten wissen sagt uns, dass sich gerade Himmelskörper mit dem 1,5 bis 2fachen Erdradius nicht bilden können. Es ist viel wahrscheinlicher, dass sie genau so entstehen wie die Planeten mit anderen Größen. Aber danach passiert irgendwas, was die größeren von ihnen schrumpfen lässt. Denn dass die kleineren zu wachsen beginnen ist eher unmöglich; es gibt kaum sinnvolle physikalische Prozesse, die dazu führen, dass ein Planet größer wird, zumindest nicht die Art von Planeten, die uns hier interessieren. Ein Gasplanet kann sich zum Beispiel ausdehnen, wenn er erwärmt wird. Aber ein Gesteinsplanet wie eine Supererde kann nicht plötzlich auf die doppelte Größe anwachsen. Wir suchen also nach Prozessen, die Planeten in der Lücke, also Planeten mit dem 1,5 bis 2fachen Erdradius schrumpfen lassen. Es muss ein Prozess sein, der die größeren Himmelskörper, also die Mini-Neptune nicht betrifft, denn die bleiben ja übrig. Aber alles, was kleiner ist als ein Mini-Neptun muss durch diesen Prozess auf die Größe einer Supererde geschrumpft werden.

Wenn wir verstehen wollen, was hier passiert, müssen wir uns kurz noch einmal den Zusammenhang zwischen Planeten, Planetenentstehung und Atmosphären anschauen. Nur kurz, aber das ist nötig, wenn wir die Planetenlücke verstehen wollen. In der ursprünglichen Wolke aus Gas und Staub, aus der Planeten um einen jungen Stern entstehen, befindet sich jede Menge Wasserstoff und Helium. Planeten, deren Kern während der ersten Entstehungsphase groß genug geworden ist, haben auch eine große Masse und können mit ihrer deswegen starken Anziehungskraft auch große Menge an Wasserstoff und Helium festhalten. Sie legen sich gewaltige Atmosphären zu, so wie Jupiter oder Saturn. Kleine Himmelskörper, wie zum Beispiel die Erde, können die leicht flüchtigen Gase wie Wasserstoff und Helium nicht festhalten und haben am Ende nur sehr dünne Atmosphärenschichten. Dazwischen sind Planeten wie Uranus und Neptun, die Wasserstoff und Helium festhalten können, aber nicht so viel wie Jupiter oder Saturn. Die Mini-Neptune haben noch weniger davon und die Planeten, die in unsere Lücke fallen würden, noch ein bisschen weniger. Es kommt aber nicht nur auf die Masse an, ob ein Planet seine Atmosphäre halten kann, sondern auch darauf, was sein Stern macht. Junge Sterne geben im Allgemeinen sehr viel mehr energiereiche Ultraviolettstrahlung ab als ein alter Stern wie unsere Sonne. Diese energiereiche Strahlung regt die Gasmoleküle einer Atmosphäre an und sie können sich dadurch leichter aus der Anziehungskraft ihres Planeten lösen. Der junge Stern ist quasi wie ein Sandstrahler, der die Atmosphären von Planeten abträgt. Es gibt aber noch einen zweiten Weg, wie Energie in eine Atmosphäre gelangen kann, nämlich durch den Planeten selbst. Junge Planeten sind noch sehr warm, sie haben viel thermische Energie gespeichert und geben die auch ab und zwar ebenfalls in ihre Atmosphäre. Auch dadurch können die Gasmoleküle angeregt werden und entkommen.

Wenn sich die Wasserstoff/Helium-Atmosphäre so ins All verflüchtigt, wird der Planet natürlich kleiner. Diese Wasserstoff/Helium-Atmosphären können sehr ausgedehnt sein; nicht die dünne Luftschicht, die wir von der Erde kennen. Selbst wenn nur ein bisschen dieser Atmosphäre verloren geht, schrumpft der Planet deutlich. Er verliert aber auch Masse und hat es dadurch NOCH schwerer, den Rest seiner Atmosphäre zu halten. Es ist ein Teufelskreis und am Ende hat der Planet seine ganze Wasserstoff/Helium-Hülle verloren und übrig bleibt der nackte Kern aus Gestein und Metall, also das, was wir als "Supererde" klassifizieren (auf denen sich im Laufe der Zeit wieder eine andere Atmosphäre entwickeln kann, die nicht aus Wasserstoff und Helium besteht und nicht so leicht flüchtig ist). Die größeren Planeten, also die Mini-Neptune und Eisriesen wie Neptun und Uranus sind von diesem Prozess nicht oder nur wenig betroffen. Sie haben von Anfang an genug Masse, um den Großteil ihrer Wasserstoff- und Heliumatmosphäre trotz Sternstrahlung und eigener innerer Wärme festzuhalten. Ihre atmosphärischen Hüllen überleben und so kriegen wir auf einer Seite der Lücke eben genau diese Sub-Neptune und Eisriesen und auf der anderen Seite die Supererden und Gesteinsplaneten wie die Erde. Dazwischen bleibt kaum etwas übrig und genau deswegen gibt es diese Lücke.

Ein junger Planet muss mit einer gewissen Grundmasse an Atmosphäre starten (und braucht dazu auch einen ausreichend massereichen Kern um sie festhalten zu können). Dann schafft er es auch, diese Atmosphäre zu behalten. Ist die Grundmasse an Atmosphäre aber zu gering, dann sorgen die gerade beschriebenen Prozesse dafür, dass er sie im Laufe der Zeit komplett verliert. Viele der Supererden, die wir heute überall in der Milchstraße beobachten, haben als Mini-Neptune begonnen, aber es nicht geschafft, diesen Zustand aufrecht zu erhalten.

Wir wissen noch nicht genau, welcher der beiden Prozesse - Sternstrahlung oder "Photoevaporation", wie es korrekt heißt oder die eigene innere Wärme der Planeten - wirklich für die Planetenlücke verantwortlich ist. Vermutlich spielen beide eine Rolle. Es ist auch noch nicht sicher, ob die Sub-Neptune, die ihre Atmosphäre verlieren, am Ende wirklich zu Supererden werden, also großen Gesteinsplaneten mit fester Oberfläche oder ob sich da doch etwas anderes draus entwickelt, dass nur so groß wie eine Supererde, aber ganz anders aufgebaut ist. Wir müssen noch mehr Planeten noch genauer beobachten und noch mehr Daten sammeln. Es wird noch ein wenig dauern, bis wir wirklich verstanden haben, was in der Planetenlücke passiert ist. Aber allein aus der Tatsache ihrer Existenz wissen wir schon, dass sehr viele Planeten eine sehr dramatische Jugend gehabt haben müssen.

Sternengeschichten Spezial Mai 2026

STERNENGESCHICHTEN LIVE TOUR in D und Ö: Tickets unter https://sternengeschichten.live

Sternengeschichten Spezial! In der Spezialfolge für den Mai erzähle ich von einem fernen Asteroid, der letztes Jahr einen Stern bedeckt hat. Das hat uns gezeigt, dass dieses kleine Ding überraschenderweise eine Atmosphäre hat und das in der fernen, dunklen Ecke des Sonnensystems mehr passiert, als man denken würde. Ich habe die Frage von Phillip beantwortet, der wissen wollte "Was ist Raum?". Und ich habe ein bisschen über das Problem gesprochen, das Plattformen wie Spotify für Podcasts darstellen.

Mehr zur Sternbedeckung findet man hier oder hier.

STERNENGESCHICHTEN LIVE TOUR in D und Ö: Tickets unter https://sternengeschichten.live Der nächste Auftritt wird am 3. Juni in Wien stattfinden und Karten gibt es hier. Karten für die Live-Aufzeichung von "Das Universum" am 16.6. in Wien gibt es hier

Mein neues Buch heißt “Die Farben des Universums” und ist ab jetzt überall erhältlich wo es Bücher gibt.

Meine anderen Podcast sind "Das Universum" und "Das Klima".

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Sternengeschichten Folge 705: Rheticus und der Beginn der kopernikanischen Revolution

Im Mittelalter haben die Menschen geglaubt, dass die Erde das Zentrum des Universums ist. Dann kam Nikolaus Kopernikus und hat im Jahr 1543 sein berühmtes Werk veröffentlicht, in dem er zeigt, dass sich die Planeten alle um die Sonne herum bewegen. Das war die berühmte "kopernikanische Wende" und auf sie ist die wissenschaftliche Revolution der Neuzeit gefolgt, mit Galileo Galilei, Isaac Newton, Johannes Kepler und so weiter. Diese Darstellung der Ereignisse ist nicht falsch. Aber sie ist auch nicht ganz richtig. Ich habe in Folge 403 ja schon einmal ausführlich über das Leben und die Arbeit von Nikolaus Kopernikus erzählt, aber damals eine sehr wichtige Person nicht erwähnt. Das möchte ich in dieser Folge nachholen. Es geht heute also um Georg Joachim Rheticus, ohne den es die kopernikanische Wende nicht oder erst später gegeben hätte. Rheticus ist eigentlich als Georg Joachim Iserin zur Welt gekommen; am 16. Februar 1514, in der Stadt Feldkirch, die heute im österreichischen Bundesland Vorarlberg liegt. Sein Vater war der Stadtarzt und seine Mutter eine Adlige aus Italien. Als Georg 14 Jahre alt war, bekam sein Vater allerdings Schwierigkeiten mit den Behörden. Die Ereignisse lassen sich nicht mehr genau rekonstruieren, aber vermutlich gab es Streit mit ein paar einflussreichen Familien aus Feldkirch. Georgs Vater war nicht nur Arzt, sondern ein allgemein gebildeter Mensch; er war ein Büchersammler; hat seine eigene Medizin hergestellt; astrologische Vorhersagen getätigt, und so weiter. Das hat ihm aber eine Anklage als Hexer und Betrüger eingebracht, er wurde entsprechend verurteilt und hingerichtet. Georg hat danach sicherheitshalber den Familiennamen seiner Mutter angenommen und sich ab da Georg Joachim de Porris genannt oder eingedeutscht: Georg Joachim von Lauchen. Ich werde ihn ab jetzt aber dann so nennen, wie er später als Wissenschaftler genannt wurde, nämlich mit dem lateinischen Namen Rheticus.

Die erste Station auf dem Weg hin zum Forscher war für Rheticus die Lateinschule in Feldkirch und danach ein Studium der Mathematik in Zürich. Das hat er 1531 beendet und danach ging er an die Universität von Wittenberg, wo er 1536 ein Studium der "sieben freien Künste" abschloss. So hat man damals die Disziplinen genannt, die quasi die Grundlage für jede weiter Ausbildung dargestellt haben, also Grammatik, Rhetorik und Dialektik und Arithmetik, Geometrie, Musik und Astronomie. In Wittenberg hat Rheticus auch Philipp Melanchton kennengelernt, der - gemeinsam mit Martin Luther - nur ein paar Jahrzehnte zuvor eine der wichtigsten Personen im Streit mit der katholischen Kirche und der Reformation war. Melanchton jedenfalls hat Rheticus geholfen, eine Stelle als Professor für Mathematik und Astronomie in Wittenberg zu bekommen. Und er hat ihm die Möglichkeit gegeben, ein wenig durch die Welt zu reisen, um andere Mathematiker und Astronomen zu treffen und von ihnen zu lernen. Auf dieser Reise ist Rheticus 1539 auch nach Frauenburg gekommen um dort Nikolaus Kopernikus zu besuchen.

Eigentlich sollte es nur ein kurzes Treffen werden; geworden ist daraus ein dreijähriger Aufenthalt. Rhetiucs war 25 Jahre alt; Kopernikus schon 70. Trotzdem verstanden sich die beiden auf Anhieb hervorragend und Rheticus wurde der erste, einzige und letzte Schüler von Nikolaus Kopernikus. Der hatte die Arbeit, für die er heute berühmt ist, schon seit gut 10 Jahren abgeschlossen, aber nichts davon veröffentlicht. Rheticus hat die Rohfassung von Kopernikus' Bericht über die Bewegung der Himmelskörper aber natürlich trotzdem sehr genau studiert. Und auch wenn die Arbeit noch nicht druckreif war, wollte Rheticus trotzdem den Rest der gelehrten Welt darüber informieren. Mit Zustimmung von Kopernikus hat er deswegen eine Zusammenfassung geschrieben und in nur 10 Wochen das kleine Buch "Narratio Prima", also "Erster Bericht" geschrieben. Mit vollem Titel heißt es "De libris revolutionum Copernici narratio prima" beziehungsweise "Erster Bericht über das Werk 'Über die Umläufe' des Kopernikus". Es wurde 1540 veröffentlicht und war schnell ein großer Erfolg. Bei der Arbeit an der Narratio Prima hatte Rheticus auch gemerkt, dass das eigentliche Werk von Kopernikus noch längst nicht so weit war, wie gedacht. Das Manuskript hätte deutlich umgeschrieben, mathematisch erweitert und umorganisiert werden müssen; eine Arbeit, zu der sich doch schon recht alte Kopernikus aber nicht imstande gesehen und den Text daher in der Schublade liegen lasse hatte. Jetzt aber war Rheticus da und hat einerseits, in Abstimmung mit Kopernikus, eine überarbeite Version verfasst. Und andererseits konnte er Kopernikus auch überreden, das Buch endlich zu veröffentlichen.

Im Frühjahr 1543, kurz vor Kopernikus' Tod, war es dann soweit: "De revolutionibus orbium coelestium" oder auf deutsch "Über die Umlaufbahnen der Himmelssphären" wurde gedruckt. Rheticus konnte den Publikationsprozess allerdings nicht komplett beaufsichtigen; er musste eine Stelle an der Universität Leipzig antreten. Die letzte Korrektur der Druckfahnen übernahm Andreas Osiander; ein Theologe und Reformator, der - ohne Rücksprache mit Rheticus und Kopernikus - dem Werk noch ein Vorwort beigefügt hat. Darin erklärt er, dass das Planetenmodell von Kopernikus nur ein reines Rechenmodell wäre, das definitiv nicht den Anspruch erhebt, die Realität zu beschreiben. Das war schon frech genug; noch frecher war es, dass er das nicht als eigenen Zusatz gekennzeichnet hatte, sondern so tat, als wäre das eine Aussage von Kopernikus selbst. Rheticus selbst hatte eigentlich ein anderes Vorwort verfasst, in dem er erklärte, dass sich das kopernikanische Weltmodell durchaus mit den Aussagen der Bibel vereinen lässt. Er hat seine Argumente auf einem Prinzip des frühen Kirchenlehrers Augustinus von Hippo basiert. Der lebte im 4. und 5. Jahrhundert, als sich die noch junge christliche Kirche ausgebreitet hat beziehungsweise bemüht war, sich durch Missionierung andersgläubiger Menschen auszubreiten. Das war nicht immer einfach und schon damals gab es Diskussionen über die Konflikte zwischen den Aussagen in der Bibel und der Realität. Ich will hier nicht zu weit in die Theologie abschweifen, aber im Wesentlichen hat Augustinus und mit ihm später Rheticus folgendes gesagt: In der Bibel steht nur das, was nötig ist, um den Menschen den Weg zur Erlösung möglich zu machen. Und es steht dort so, dass es für die Menschen möglichst einfach zu verstehen ist. Mit wissenschaftlich exakten Aussagen ist daher in der Bibel nicht zu rechnen. Ein gutes Beispiel aus Rheticus Zeit ist die Entdeckung von Amerika. Davon stünde nichts in der Bibel, weil es aus theologischer Sicht nicht relevant war. Genauso steht in der Bibel nichts über die wahre Bewegung der Himmelskörper, weil auch das nicht wichtig ist, wenn man Menschen zum Glauben an Gott bringen will.

Diese theologische Abhandlung von Rheticus, mit der das neue kopernikanische Weltbild mit den Lehren der Kirche in Einklang gebracht werden sollte, wurde von Osiander aber nun entfernt und dieser Text wurde erst sehr viel später wieder entdeckt. So oder so: Das Werk von Kopernikus war jetzt endlich in der Welt und ohne Rheticus wäre das nicht - oder wenn, dann erst viel später - passiert. Es war nicht so sehr die Angst vor der Kirche, die Kopernikus mit der Veröffentlichung zögern hat lassen. Tatsächlich ist sein Buch erst 1616 von der Kirche auf den Index der verboteten Bücher gesetzt worden, also gut 70 Jahre nach seinem Tod und der Veröffentlichung. Aber Kopernikus wusste eben auch, dass sein Werk noch nicht fertig ist und erst durch die Hilfe von Rheticus konnte es in eine Form gebracht werden, mit der auch Kopernikus zufrieden war.

Wenn man sagt, dass es ohne Rheticus keinen Kopernikus gegeben hätte, wäre das vermutlich zu sehr vereinfacht. Aber nicht viel… und es wäre übrigens auch ungerecht, das Leben von Rheticus nur auf seine Zusammenarbeit mit Kopernikus zu reduzieren. Er war Kartograph, hat als Arzt gearbeitet und er war vor allem auch Mathematiker. Wir neigen dazu, den Wert mathematischer Arbeit aus dem Mittelalter und der frühen Neuzeit zu unterschätzen, weil das, was zum Beispiel Rheticus gemacht hat, aus unserer Sicht immer ein wenig langweilig aussieht. Rheticus hat sich extrem für die Eigenschaften von Dreiecken interessiert und für das, was wir heute "Trigonometrie" nennen. Also die Berechnung von Winkel und Winkelfunkionen, wie Sinus, Kosinus, und so weiter. Das ist natürlich auch heute noch sehr wichtig in der Mathematik, aber wir tippen das halt einfach in den Taschenrechner oder den Computer. Damals gab es da aber nicht. Wenn man den Sinus eines Winkels wissen wollte, waren das langwierige Berechnungen. Und damit man die nicht immer wiederholen musste, gab es Bücher mit langen Tabellen, wo man die entsprechenden Werte nachschlagen konnte. Aber damit es solche Bücher gab, musste die irgendwer schreiben und davor all diese Werte auch berechnen und das möglichst ohne Fehler zu machen. Rheticus hat genau das gemacht und seine mathematischen Fähigkeiten waren auch enorm wichtig für die Überarbeitung von Kopernikus' Werk.

Rheticus hat die späteren Jahren in seinem Leben vor allem als Arzt verbracht. In den 1550er Jahren hat er Medizin in Prag studiert und dann in Krakau als Doktor praktiziert. Nebenbei hat er sich immer noch mit Mathematik und Astronomie beschäftigt und seine Tabellenwerke verfasst. Er starb am 4. Dezember 1574 und ich möchte diese Folge mit einem Zitat von Rheticus beenden, dass erstaunlich gut in die Gegenwart passt. Rheticus schreibt darin an den Bürgermeister von Feldkirch über die wissenschaftliche Ausbildung junger Menschen:

"Denn will man die Jugend begeistern, so kommt es darauf an, dass sich die führenden Persönlichkeiten für die Wissenschaft einsetzen. […] Es steht den Regierenden gut an, die Studien nicht nur kraft ihres Einflusses anderen zu empfehlen. Vielmehr müssen sie auch der verkehrten Meinung der Masse entgegentreten, dass nur der materielle Gewinn zählt."