Sternengeschichten Folge 703: Das Green Bank Treffen, Außerirdische und der Orden des Delfins

Am Halloween-Abend des Jahres 1961 haben sich 10 Wissenschaftler in der abgelegenen Ortschaft Green Bank in West Virgina getroffen. Die Zusammenkunft war nicht geheim, aber man hat sie auch nicht an die große Glocke gehängt. Es waren Astronomen, Informatiker, Biologen und Ingenieure die am Radio-Observatorium von Green Bank zusammengekommen sind und sie waren zum größten Teil die führenden Experten auf ihrem Gebiet. Ihr Ziel: In Ruhe und ausführlich darüber zu diskutieren, ob es irgendwo intelligente Außerirdische gibt und wie man sie kontaktieren könnte.

Das klingt nach dem Beginn eines Science-Fiction-Films, hat aber genau so tatsächlich stattgefunden. Damals, im Jahr 1961, hat sich die Wissenschaft das erste Mal seriös und umfassend mit der Frage nach der Suche und einer möglichen Kontaktaufnahme mit außerirdischen Lebewesen beschäftigt, also der Disziplin, die man heute "SETI" nennt, "Search for Extraterrestrial Intelligence". Heute ist dieses Thema immer noch ein wenig außergewöhnlich, aber man macht sich auch nicht mehr lächerlich, wenn man wissenschaftlich untersucht, ob es außerirdisches Leben gibt; wenn man sich mit Astrobiologie beschäftigt oder darüber nachdenkt, ob und wie Kommunikation mit intelligenten Lebewesen außerhalb der Erde funktionieren könnte. Anfangen hat das aber alles damals in Green Bank. Und dieses Treffen in Green Bank kam nicht aus dem Nichts. Der zweite Weltkrieg war noch nicht so lange her und dort hat man auch das erste Mal Raketen im großen Maßstab eingesetzt. Leider vor allem als Waffe, von Deutschland in Form der V2-Raketen. Aber nach Kriegsende wurden die restlichen Raketen von den USA (und der Sowjetunion) als Basis für die Entwicklung eigener Raumfahrtprogramme genutzt. Die Nachkriegszeit war auch die Zeit, in der UFOs populär wurden. Immer mehr Menschen haben berichtet, dass sie irgendwelche seltsamen fliegenden Objekte gesehen hätten und unabhängig des Wahrheitsgehaltes dieser Aussagen, war das Thema in den 1950er Jahren in der Öffentlichkeit weit verbreitet. Die Science Fiction hat sich sowieso damit beschäftigt, aber auch die Wissenschaft hat darüber nachgedacht, ob es vielleicht außerirdisches Leben geben könnte. Der berühmte Physiker Enrico Fermi hat sich gefragt, warum wir noch keine Aliens gesehen haben, obwohl sie doch, wenn es sie gibt, genug Zeit gehabt haben müssten, die ganze Milchstraße zu besieden - das ist das, was wir heute "Fermi-Paradoxon" nennen und wovon ich in Folge 410 ausführlich gesprochen habe. Stanley Miller und Harold Urey haben 1953 ihr berühmtes Experiment durchgeführt, dass "Miller-Urey-Experiment" oder, etwas volkstümlicher, das Experiment mit der "Ursuppe". Sie haben gezeigt, dass sich schon unter recht simplen Bedingungen, wie sie auf der frühen Erde geherrscht haben, die Grundbausteine für die Entstehung des Lebens bilden können. Man hat die DNA entschlüsselt, hat Fortschritte beim Verständnis der Planetenentstehung gemacht und 1957 flog mit "Sputnik" der erste Satellit ins Welltall. Die NASA wurde 1958 gegründet und Raumfahrt und außerirdisches Leben waren keine Science Fiction mehr, sondern etwas, worüber sich auch die Wissenschaft Gedanken machen konnte.

Das haben insbesondere Giuseppe Cocconi und Philip Morrison getan. Cocconi, ein Physiker aus Italien, war 1959 in den USA zu Besuch. Dort hat er Morrison getroffen, einen amerikanischen Physiker, der unter anderem am Manhattan-Projekt, also dem Bau der ersten Atombombe mitgearbeitet hatte. Cocconi dagegen awr Experte für hochenergetische Teilchen und Strahlung. Er war, so wie Morrison, unter anderem an der Gammastrahlung interessiert. Cocconi hat sich mit Gammastrahlen beschäftigt, die an Beschleunigern produziert werden, Morrision mit denen, die wir im Weltall beobachten können. Das hat Cocconi auf eine Idee gebracht: Wenn wir Menschen Gammastrahlen erzeugen können, und wir sie aus dem Weltall empfangen: Könnten dann Aliens die Gammastrahlen nicht für Kommunikation benutzen? Die beiden haben die Frage diskutiert und sind zu dem Schluss gekommen: Nein, Gammastrahlung ist nicht die beste Wahl für interstellare Kommunikation, viel besser geeignet ist Radiostrahlung. Ihre Ergebnisse haben sie am 19. September 1959 in einer Facharbeit mit dem Titel "Suche nach interstellarer Kommunikation" veröffentlicht, der durchaus einiges an Aufsehen erregt hat. Heute können wir sagen, dass dieser Artikel quasi den Anstoß für die SETI-Forschung gegeben hat. Gleichzeitig und ohne dass Cocconi und Morrison davon gewusst hatten, hat sich der Radioastronom Frank Drake ebenfalls mit dem Thema beschäftigt. Er hat im Frühjahr 1960 ein großes Radioteleskop an einen vielversprechenden Punkt am Himmel gerichtet um dort nach Botschaften von Aliens zu suchen. Ohne Erfolg, aber dieses "Projekt Ozma" war die erste Suche dieser Art.

All diese Aktivitäten haben auch James Peter Pearman interessiert. Er war Mitglied des Space Science Board der Nationalen Akamdemie der Wissenschaften in den USA: Diese Einrichtung wurde 1958 gegründet um beratend bei den Raumfahrtaktivitäten der USA tätig zu sein. Dort gab es auch eine Gruppe, die sich mit außerirdischem Leben beschäftigt hat, aber vor allem wegen der Frage, ob es vielleicht irgendeine Art der Kontamination geben könnte, wenn Menschen ins All fliegen oder zum Mond. Aber 1961 hat sich das Space Science Board auch der Frage gewidmet, ob und wie man die Suche und Kommunikation mit etwaigen Aliens wissenschaftlich sinnvoll erforschen kann. Also haben Drake und Pearman überlegt, eine kleine Konferenz dazu zu veranstalten. Und sie haben vor allem überlegt, wen man einladen sollte.

Natürlich Cocconi und Morrison. Aber auch Otto Struve, einer der bekanntesten und bedeutensten Astronomen seiner Zeit und damals Direktor des National Radio Astronomy Observatory. Denn treffen wollte man sich an der Radiosternwarte in Green Bank, wo auch Frank Drake damals gearbeitet hat und das musste Struve natürlich erlauben. Man hat noch jede Menge andere Leute eingeladen, aber neben Drake, Pearman und Struve hatten am Ende nur sieben weitere Leute zugesagt. Der junge Astronom Carl Sagan, der damals - im Gegensatz zu heute - noch weitestgehend unbekannt war. Der chinesisch-amerikanische Astronom Su-Shu Huang. Dana Atchley, ein Ingenieur und Bernard Oliver, ein Elektrotechniker. Der Biologe Melvin Calvin und der Neurophysiologe John Lilly. Philip Morrison war auch dabei; Giuseppe Cocconi hatte abgesagt. Es waren also nur zehn Forscher, die zugesagt hatten und diese zehn waren es, die an Halloween 1961 in Green Bank eingetroffen sind. Ich könnte über jede dieser Personen eine eigene Folge machen; aber wenn ich in dieser Folge erzählen würde, was sie alles gemacht haben, würde sie vermutlich ein paar Stunden dauern. Also belassen wir es dabei, dass sie alle qualifiziert waren, um über Aliens nachzudenken - sofern man bei diesem Thema überhaupt irgendwie qualifiziert sein kann.

Auf dem Programm des Treffens standen drei große Ziele: Erstens: Herauszufinden, wie wahrscheinlich es ist, dass sich irgendwo anders im Universum intelligentes Leben entwickelt hat und wie wahrscheinlich eine Kontaktaufnahme ist. Zweitens: Herauszufinden, ob es sich lohnt, mit der existierenden Technologie auf die Suche nach Aliens zu gehen oder ob man warten muss, bis bessere Technik entwickelt wird. Und Drittens: Einen entsprechenden Aktionsplan für das Space Science Board zu entwickeln.

Frank Drake war bestens vorbereitet, um Frage Nummer 1 zu diskutieren. Direkt zu Beginn der Konferenz hat er das präsentiert, was wir heute als die "Drake-Gleichung" kennen und worüber ich in Folge 304 der Sternengeschichten ausführlich erzählt habe. Drake hat darin alle Faktoren zusammengestellt, die bestimmen, ob sich irgendwo Aliens entwickeln und ob wir mit ihnen kommunizieren können. Seine Gleichung beinhaltet zum Beispiel die Anzahl der Sterne in der Milchstraße, die Anzahl der Sterne, die Planeten haben, die Anzahl der Planeten, die Leben beherbergen können, die Anzahl der Planeten auf denen sich Leben und intelligentes Leben entwickelt, die Anzahl der technischen Zivilisationen darunter und ihre Lebensdauer. Damals wusste man über so gut wie keinen dieser Faktoren irgendetwas aus wissenschaftlicher Sicht verlässliches - aber genau deswegen war man ja zusammengekommen. Man hat also über die Faktoren der Drake-Gleichung diskutiert und die Diskutanten waren gut qualifiziert dafür. Otto Struve hatte sich zum Beispiel intensiv mit der Frage nach Planeten anderer Sterne beschäftigt. Damals hatte man noch keine solche Exoplaneten gefunden; das kam erst in den 1990er Jahren. Aber Struve war überzeugt, das fast jeder Stern Planeten haben muss. Das stimmt, wie wir heute wissen, auch wenn Struves Argumente aus heutiger Sicht nicht mehr ganz richtig sind (aber das ist wieder eine ganz andere Geschichte). Su-Shu Huang war ebenfalls Spezialist für Planeten und er war auch der erste, der sich über das Konzept der "habitablen Zone" Gedanken gemacht hat, also die Bereiche um einen Stern herum, wo die Energie des Sterns gerade ausreicht, so dass auf der Oberfläche eines passenden Planeten Wasser und Leben existieren kann. Dana Atchley war Spezialist für Kommunikation und hat Drake schon mit entsprechendem Equipment für sein Projekt Ozma ausgeholfen. Bernard Oliver hat unter anderem an Mikrowellen-Sendern und Empfängern gearbeitet und war Forschungsdirektor bei Hewlett Packard. Carl Sagan war damals noch recht unbekannt, aber interessiert an allem, was mit dem Thema zu tun hat und von Joshua Lederberg für die Konferenz empfohlen, dem Direktor des Space Science Board. Philip Morrison war als SETI-Pioneer sowieso qualifiziert und das galt auch für den Biologen Melvin Calvin. Wie qualifiziert er war, haben die Teilnehmer an der Konferenz direkt erfahren, als plötzlich ein Anruf aus Schweden kam: Calvin hat den Nobelpreis für seine Forschung zur Photosynthese gewonnen. Und dann war da noch John Lilly. Er war deswegen eingeladen, weil er kurz davor sein Buch "Mensch und Delfin" veröffentlicht hatte. Darin berichtet er von seiner Forschung, um die Sprache der Delfine zu verstehen. Aber nicht nur das: Lilly war auch der Meinung, es sei möglich, den Delfinen beizubringen, auf englisch zu sprechen. Für diese Forschung bekam er sogar Fördergelder der Regierung, mit der ein entsprechendes Forschungszentrum auf einer Karibikinsel gebaut hat. Drei Delfine lebten dort direkt mit Menschen zusammen, in einer Art Aquariums-Haus. Man ging beim Treffen in Green Bank natürlich nicht davon aus, dass irgendwo im All Delfine herumschwimmen. Aber irgendwie muss man mit den Aliens ja kommunizieren, und wie kann man das besser lernen, als wenn man zuerst mit einer nicht-menschlichen Intelligenz auf der Erde kommuniziert. Lillys Versuche, die Sprache der Delfine zu verstehen und ihnen unsere Sprache beizubringen, war eine gute Vorbereitung für das SETI-Projekt.

Lillys Forschung hat die anderen sogar so sehr beeindruckt, dass sie ihrer Gruppe den informellen Namen "Orden des Delfins" gegeben haben. Melvin Calvin hat nach dem Ende des Treffens sogar kleine Delfin-Anstecknadeln mit den eingravierten Namen der Teilnehmer verschickt. Trotzdem ist das Treffen in Green Bank eine einmalige Angelegenheit geblieben. Pearman hat die Ergebnisse der Diskussion an das Space Science Board geschickt und damit war der Auftrag vorerst erfüllt. Die Mitglieder des Delfin-Ordens blieben in losem Kontakt, aber haben das mit dem Delfin bald fallen gelassen. Denn Lillys Forschung hat sich als weniger beeindruckend herausgestellt, als sie ausgesehen hat. Die Delfine haben kein Englisch gelernt und Lillys Methoden sind immer weiter in unwissenschaftliche New-Age-Konzepte abgeglitten. Als er dann auch noch LSD an die Tiere verteilt hat, war es auch mit den Fördergeldern vorbei.

Das Treffen in Green Bank war aber dennoch nicht folgenlos. Die Drake-Gleichung, die damals entwickelt wurde, ist auch heute noch die Grundlage jeder SETI-Forschung. Und auch wenn wir bisher noch keinen Kontakt mit Aliens hatten und noch nicht mal irgendeine Art von Leben außerhalb der Erde entdeckt haben: Das Thema wurde damals das erste Mal mit wissenschaftlicher Ernsthaftigkeit diskutiert. Was davor nur Science Fiction war und ein Gebiet, auf dem man sich bestenfalls lächerlich machen kann, ist durch das Green Bank Treffen zum Teil rehabilitiert und zu einer seriösen Forschungsrichtung geworden. Die Sache mit den Delfinen war ein Reinfall. Aber ohne den Orden des Delfins wäre SETI nicht zu dem geworden, was es heute ist.

Sternengeschichten Folge 702: Der Forbush-Effekt

Wir Menschen auf der Erde spüren den Einfluss der Sonne jeden Tag; ohne ihre Strahlung könnten wir hier nicht leben. Auf den weiter entfernten Planeten strahlt sie aber nicht mehr so hell und im äußeren Sonnensystem ist es so kalt, als wäre die Sonne überhaupt nicht da. Aber sie ist da und ihr Einfluss reicht weiter, als man es sich vielleicht vorstellt. Und damit ist nicht die Gravitationskraft gemeint, die sie ausübt; die reicht theoretisch ja sogar unendlich weit. Das, was auf der Sonne passiert hat Auswirkungen auf das gesamte Sonnensystem und die Phänomene, die als "Forbush-Ereignis" bezeichnet werden, demonstrieren das wunderbar.

Bevor wir uns aber damit beschäftigen, wer oder was Forbush ist und was es dazu ereignisvolles zu erzählen gibt, müssen wir uns mit etwas beschäftigen, von dem ich schon ausführlich in Folge 317 gesprochen habe, nämlich der kosmischen Strahlung. Ich halte die Wiederholung kurz, aber im Prinzip besteht die kosmische Strahlung aus hochenergetischen Teilchen, deren Ursprung im Weltraum liegt. Wir wissen darüber Bescheid, seit sie 1912 vom österreichischen Physiker Victor Franz Hess entdeckt worden ist und man kann ihren Ursprung grob in zwei Quellen einteilen. Einmal ist da die Sonne, die nicht nur Licht abstrahlt, sondern auch ständig Teilchen aus ihren äußeren Gasschichten ins All schleudert. Einerseits tut sie das ständig und vergleichsweise ruhig, in Form des Sonnenwindes, von dem ich auch schon oft hier erzählt habe und andererseits macht sie das manchmal auch sehr dramatisch, wenn sie zum Beispiel koronale Massenauswürfe durchs Planetensystem schleudert. Die Ursache für diese Eruptionen liegen in der dynamischen Wechselwirkung des Gases aus dem die Sonne besteht und ihrem Magnetfeld. Ab und zu gibt es da quasi Kurzschlüsse, bei denen sehr viel Energie frei wird und große Mengen an solarer Materie ins All hinaus geworfen werden. Die Details sind komplex und noch nicht vollständig verstanden, aber der Punkt ist: Unser Stern schleudert mal mehr und mal weniger Teilchen mit großer Energie durch die Gegend. Es sind geladene Teilchen, vor allem Protonen und Elektronen, aber auch schwerere Atomkerne anderer chemischer Elemente.

Das ist allerdings nichts, was nur die Sonne macht. Alle anderen Sterne tun das ebenfalls und es gibt noch mehr astronomische Prozesse, die so eine Art der Teilchenstrahlung erzeugen. Sie entstehen bei Supernova-Explosionen, in der Umgebung schwarzer Löcher oder in den gewaltigen Jets, also riesigen Materieströmen, die aus den Zentren ferner Galaxien hinaus ins All schießen. All diese Prozesse (und noch mehr) sind für die zweite Komponente der kosmischen Strahlung verantwortlich, die galaktische kosmische Strahlung. Diese Teilchen haben im Allgemeinen eine sehr viel höhere Energie als die in der solaren kosmischen Strahlung, aber die eine wie die andere ist äußerst unangenehm für uns Menschen. Wenn Teilchen mit so viel Energie auf die Atome in unserem Körper treffen, dann können sie dort Reaktionen auslösen; Atome können zerfallen; Moleküle ihre Bindung verlieren, und so weiter. Wenn wir zulange der kosmischen Strahlung ausgesetzt sind, dann werden wir krank oder sterben. Aber wenn wir uns nicht im Weltall aufhalten, dann schützt uns zum Glück unsere Atmosphäre. Die kosmische Strahlung trifft zuerst auf die Atome der Lufthülle, bevor sie uns erreichen kann. Auch dort oben, hoch über unseren Köpfen, löst sie atomare Reaktionen aus; lässt Stickstoff- oder Sauerstoffatome zerfallen und die entstehenden Zerfallsprodukte zerfallen weiter, können neue Zerfallsreaktionen auslösen, und so weiter. Oder anders gesagt: Jedes Teilchen der kosmischen Strahlung das auf die Atmosphäre der Erde trifft, löst einen Schauer aus Teilchen aus, die "Sekundärstrahlung" genannt wird und das was davon am Ende noch auf dem Erdboden ankommt, ist für uns weitestgehend ungefährlich.

Das bedeutet, dass wir die kosmische Strahlung von der Erde aus nur indirekt über die Sekundärstrahlung messen können. Aber genau das hat man in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts gemacht. Nach der Entdeckung des Phänomens 1912 hat man natürlich versucht, möglichst viel darüber und ihren Ursprung herauszufinden. Parallel hat man auch immer besser verstanden, wie die Sonne funktioniert. In Folge 10 haben ich vor langer Zeit schon mal über das Sonnenwetter gesprochen; so nennt man alle Phänomene, die mit der elektrisch-magnetischen Aktivität der Sonne zu tun haben. Wenn es da zum Beispiel einen wirklich heftigen Kurzschluss gibt und große Mengen an Material bei einem koronalen Massenauswurf in Richtung Erde geschleudert werden, kann das durchaus dramatische Folgen bei uns haben. Die können ästhetisch anspruchsvoll sein, weil die Interaktion zwischen den geladenen Teilchen von der Sonne und dem irdischen Magnetfeld zum Beispiel Polarlichter verursacht. Die Folgen können aber auch katastrophal sein, wenn die solare kosmische Strahlung Satelliten ausfallen lässt oder die kurzfristige Störung im Erdmagnetfeld Stromleitungen kollabieren lässt. Einer, der sich ab den 1930er Jahren intensiv mit all diesen Phänomenen beschäftigt hat, war der amerikanische Physiker Scott Forbush. 1937 hat er einen kurzen Aufsatz veröffentlicht, mit dem Titel "Über die Effekte in der Intensität der kosmischen Strahlung, die während des jüngsten magnetischen Sturms beobachtet wurden". Mit "magnetischer Sturm" ist das gemeint, was ich vorhin kurz angedeutet habe: Wenn die Sonne bei einem koronalen Massenauswurf jede Menge geladene Teilchen mit hoher Geschwindigkeit und Energie in Richtung Erde schleudert, dann bringt das unser Magnetfeld kurzfristig durcheinander. Das kann man messen und so ein Ereignis hat zwischen 25. und 30. April 1937 stattgefunden. Forbush ist aber aufgefallen, dass es da nicht nur Variationen beim Magnetfeld gegeben hat. Zwei andere Messstationen; eine in Maryland in den USA und eine in Huancayo in Peru haben die Intensität der kosmischen Strahlung überwacht. Die Intensität der kosmischen Strahlung ist während des magnetischen Sturms um vier Prozent geringer geworden, was weit über den üblichen Variationen gelegen ist. Es kann Zufall sein, dass die Abnahme der kosmischen Strahlung zeitgleich mit dem magnetischen Sturm aufgetreten ist. Oder auch nicht. Forbush schreibt am Ende seiner Arbeit: "Auch wenn die hier vorgelegten Belege für sich genommen nicht als schlüssiger Beweis dafür gelten können, dass die beobachteten Änderungen in der Intensität der kosmischen Strahlung auf das äußere Feld des magnetischen Sturms zurückzuführen sind, so scheint diese Hypothese doch die vernünftigste zu sein." In einer längeren Arbeit aus dem Jahr 1938 hat Forbush dass sehr viel genauer untersucht und Daten weiterer magnetischer Stürme in seine Analyse inkludiert. Das Fazit: Nicht alle magnetische Stürme führen zu einem Rückgang der kosmischen Strahlung aber bei vielen ist das der Fall und dieser Rückgang kann global gemessen werden, egal wo auf der Welt die Messstation steht.

Mittlerweile können wir das Phänomen, das Forbush damals entdeckt hat, genauer einordnen. Wenn die Sonne bei einer großen Eruption eine große Wolke aus geladenen Teilchen ihres Plasmas ins All schleudert, dann verschwindet die nicht einfach so. Sie bewegt sich durch das ganze Sonnensystem hindurch. Wenn sie dabei in der Nähe der Erde vorbei kommt, wirkt sie für einige Zeit wie eine Art von Schutzschild. Es sind ja elektrisch geladene Teilchen, die da durch die Gegend geschleudert werden und die können die ebenfalls elektrisch geladenen Teilchen der galaktischen kosmischen Strahlung abhalten. Solange das Schutzschild da ist, trifft also weniger galaktische kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre und unsere Detektoren am Boden messen einen Rückgang der Sekundärstrahlung. Wie stark dieser Rückgang ausfällt hängt davon ab, wie groß die Sonneneruption war und wie stark das Magnetfeld ist, dass die geladenen Teilchen der ausgestoßenen Plasmawolke erzeugen. Und es hängt natürlich auch davon ab, wie nahe diese Wolke an der Erde vorbei kommt. Typischerweise beträgt der Rückgang einige Prozent, kann aber in besonderen Fällen auch 10 bis 20 Prozent betragen. Das ganze passiert schnell; es braucht nur ein paar Stunden, bis sich die Intensität der kosmischen Strahlung verringert. Danach dauert es dann ein paar Tage, bis alles wieder den Normalzustand erreicht hat und das Forbush-Ereignis, wie das Phänomen mittlerweile genannt wird, vorbei ist.

Vielleicht ist dem einen oder der anderen an diesem Punkt ein Gedanke gekommen: Ich habe vorher gesagt, dass es zwei Komponenten der kosmischen Strahlung gibt; die die von der Sonne kommt und die galaktische, die von außerhalb des Sonnensystems zu uns gelangt. Koronale Massenauswürfe, die Forbush-Ereignisse verursachen sind eine Ursache für die solare kosmische Strahlung. Sollte man da bei so einer Sonneneruption nicht MEHR kosmische Strahlung erwarten? Ja und Nein. Wenn ein koronaler Massenauswurf stattfindet und auf die Erde trifft, dann führt das natürlich zu einer kurzfristigen Erhöhung der Intensität der kosmischen Strahlung. Das passiert schnell und es passiert anfangs vor allem nur an bestimmten Orten der Erde, weil die Teilchen von der Sonne sich entlang der Magnetfeldlinien der Erde bewegen. Das gilt nicht nur für koronale Massenauswürfe, sondern generell für die solare kosmische Strahlung. So ein Ausbruch auf der Sonne verursacht also einen kurzen Anstieg kosmischer Strahlung, der nicht überall auf der Erde gemessen werden kann. Die galaktische kosmische Strahlung dagegen kommt aus allen Richtungen zu uns. Wenn es bei dieser Komponente Veränderungen gibt, dann wirken die sich überall auf der Erde aus. Das heißt, man kann die beiden Teile der kosmischen Strahlung gut unterscheiden und ein Forbush-Ereignis betrifft nur eine Verringerung der galaktischen kosmischen Strahlung.

Was fangen wir mit diesem Wissen an? Einerseits ist es natürlich gut, wenn wir Bescheid darüber wissen, wie sich die kosmische Strahlung verhält und verändert, damit wir unsere Satelliten, Raumfahrzeuge und vielleicht auch die Menschen schützen können, die sich gerade im Weltall befinden. Andererseits sind solche Forbush-Ereignisse aber auch ein Beispiel dafür, wie nicht nur die Sonne sondern die gesamte Heliosphäre funktioniert. So bezeichnet man den gesamten magnetischen Einflussbereich der Sonne und der reicht bis weit über den Bereich der bekannten Planeten hinaus. Die Grenze der Heliosphäre liegt grob 100 mal weiter von der Sonne entfernt als die Erde, also noch weit hinter den Umlaufbahnen von Neptun, Pluto und den restlichen Asteroiden des Kuiper-Gürtels. Und ein Forbush-Ereignis muss nicht zwingend nur auf der Erde stattfinden. Wir haben den selben Effekt auch auf dem Mars gemessen und auch mit den Instrumenten von Raumsonden wie Pioneer 10 und Voyager 1 und 2, die sich weit im äußeren Sonnensystem befinden und die Grenze der Heliosphäre mittlerweile überschritten haben. Forbush-Ereignisse zeigen uns, dass die Sonne nicht nur ein helles Licht am Himmel ist, sondern ein dynamischer Himmelskörper der das ganze Sonnensystem im Griff hat. Die atomare Reaktionen im Inneren unsers Sterns, die chaotischen Ströme des geladenen Plasmas und die wilde Dynamik seines Magnetfelds haben Einfluss auf die fernsten Regionen im Sonnensystem. Die geladenen Teilchen die die Sonne durch die Gegend schleudert, verändern was von außerhalb des Sonnensystems zu uns gelangen kann oder nicht. Forbush-Ereignisse zeigen uns in aller Deutlichkeit die Dynamik der Sonne und die Heliosphäre in Aktion.

Sternengeschichten Folge 701: Planetenbedeckung

"An den Iden des September, um Mitternacht, sah man zwei Planeten so zusammenkommen, dass sie beinahe wie ein und derselbe Stern erschienen; danach trennten sie sich aber um die Breite eines Fingers." Das hat der englische Mönch Gervasius von Canterbury am 12. September 1170 in seiner "Chronica" geschrieben. Die beiden Planeten, von denen er spricht, waren Mars und Jupiter und was er beobachtet hat, war ein extrem seltenes Ereignis. Tatsächlich wissen wir heute, dass sich damals - von der Erde aus gesehen - der Mars genau vor dem Jupiter befunden hat. Die beiden Lichtpunkte sind wie einer erschienen: Es hat eine Bedeckung zwischen zwei Planeten stattgefunden. Und bevor wir schauen, wie oft so etwas in der Vergangenheit vorgekommen ist und wer solche Ereignisse beobachten konnte, fangen wir mit den Grundlagen an.

Bedeckungen gibt es unter den Objekten am Himmel immer wieder. In den meisten Fällen ist es aber ein Himmelskörper des Sonnensystems, der einen fernen Stern bedeckt. Der Mond kann, von der Erde aus gesehen, zum Beispiel direkt vor einem Stern vorüberziehen und ihn kurzfristig verdecken. Da der Mond an unserem Himmel sehr groß erscheint und im Laufe seiner Bewegung einen großen Bereich am Himmel abdeckt, passiert das vergleichsweise oft. Es passiert genau genommen extrem oft, denn es gibt sehr viele Sterne am Himmel. Aber im Allgemeinen erregt eine Sternbedeckung durch den Mond nur dann Aufmerksamkeit, wenn es ein heller und prominenter Stern ist und man die Bedeckung auch ohne Einsatz eines Teleskops verfolgen kann. Es gibt auch andere Konstellationen und sie sind nicht nur außergewöhnliche Ereignisse sondern können auch wichtig für die Forschung sein. Im Jahr 1988 hat zum Beispiel der Pluto einen Stern bedeckt. Eigentlich hatte man erwartet, dass das Licht dieses Sterns schlagartig verschwindet, wenn Pluto ihn verdeckt und es dann ebenso schlagartig wieder erscheint, wenn der Pluto weiter gezogen ist. Tatsächlich ist das Sternenlicht aber graduell schwächer geworden, bevor es verschwunden ist. So hat man damals entdeckt, dass der Pluto eine Atmosphäre besitzen muss. Kurz bevor der - damals noch - Planet komplett vor dem Stern stand, hat das Sternenlicht durch die Atmosphäre des Pluto geleuchtet und ist dabei schwächer geworden.

Es kommt auch immer wieder mal vor, dass Asteroiden einen Stern bedecken, woraus wir ableiten können, wie groß der Asteroid ist und welche Form er hat. Und wir können auch immer wieder Transits von Merkur oder Venus vor der Sonne beobachten, also den Durchgang des Planeten direkt vor der Scheibe der Sonne. Und wie wichtig solche Ereignisse für die Wissenschaft sind, habe ich ausführlich in Folge 539 der Sternengeschichten erklärt. Heute soll es aber nicht um Sternbedeckungen gehen und auch nicht um Transits vor der Sonne. Sondern um echte Planetenbedeckungen. Das bedeutet: Von der Erde aus gesehen muss dabei ein Planet exakt vor dem anderen stehen. Oder anders gesagt: Die Erde und zwei Planeten müssen eine exakte und gerade Linie bilden. So etwas kommt nicht so häufig vor, wie man vielleicht denken würde. Denn die Planeten des Sonnensystems bewegen sich zwar alle annähernd in der selben Ebene um die Sonne. Aber eben nur annähernd und nicht exakt. Es muss wirklich alles passen: Nicht nur müssen die drei Himmelskörper alle in einer Reihe stehen, sie müssen auf ihren Bahn auch gerade in den passenden Positionen angekommen sein, so dass sie sich alle in der selben Ebene befinden. Ist das nicht der Fall, dann beobachten wir keine Bedeckung, sondern eine Konjunktion. Ok, astronomisch exakt gesprochen IST eine Bedeckung eine Konjunktion. Aber wenn man den Begriff nicht ganz so exakt verwendet, was meistens der Fall ist, dann meint man mit "Konjunktion", dass zwei Himmelskörper einander am Himmel sehr nahe sind. So etwas gibt es häufig, aber uns interessieren heute die echten Bedeckungen.

Das, was Gervasius von Canterbury im Jahr 1170 beobachtet hat, war eine Bedeckung. Oder, wenn man es wirklich ganz genau nimmt, vielleicht auch nicht. Denn damals stand der Mars, von der Erde aus gesehen, exakt vor dem Jupiter. Der Mars ist klein, der Jupiter ist groß und der Mars hat den großen Planeten nicht komplett bedeckt. Es war eher ein Transit - im Teleskop hätte man den Mars als schwarze Scheibe vor der größeren Scheibe des Jupiter vorüber ziehen sehen. Und vielleicht hat Gervasius von Canterbury auch nicht wirklich im richtigen Moment beobachtet. Mars und Jupiter sind damals, von England aus gesehen, erst kurz vor Ende der Bedeckung aufgegangen. Es kann also gut sein, dass Gervasius die beiden Himmelskörper gesehen hat, als die Bedeckung schon zu Ende war. Mit freiem Auge können die beiden dann aber immer noch "wie ein und derselbe Stern" erscheinen, weil wir die hellen Lichtpunkte nicht voneinander trennen können, wenn sie einander am Himmel sehr nahe stehen.

Schauen wir also ein paar Jahrhunderte in die Zukunft. Am 9. Januar 1591 beobachteten der deutsche Astronom Michael Mästlin und sein Schüler, ein gewisser Johannes Kepler den Himmel über der Universität von Tübingen. Sie wollten eine nahe Begegnung zwischen Mars und Jupiter beobachten. Als die beiden Planeten aber kurz nach Mitternacht am Himmel aufgehen sollten, war Jupiter nicht zu sehen; nur das rötliche Leuchten des Mars. Erst ein wenig später hat sich dann auch der Jupiter gezeigt. Auch das klingt nach einer Bedeckung beziehungsweise einem Transit von Mars und Jupiter. Aber, wie wir heute dank exakter Berechnungen wissen, es war tatsächlich nur eine extrem nahe Begegnung der beiden Planeten. Mästlin und Kepler kann man allerdings keinen Vorwurf machen; ohne Teleskop - das damals noch nicht erfunden war - waren sie nicht in der Lage, die beiden Lichtpunkte der Planeten zu trennen; sie sind ihnen tatsächlich wie ein einziger Lichtpunkt erschienen. Für das nackte Auge erscheinen die Himmelskörper auch immer ein wenig größer, als sie im Teleskop aussehen würden und wenn sie einander wirklich nahe sind, dann sieht es aus wie eine Bedeckung, obwohl es keine ist.

Gehen wir noch ein paar Jahrhunderte in die Zukunft und zwar zum 28. Mai 1737. Für diesen Tag hat man eine extrem nahe Begegnung zwischen den Planeten Venus und Merkur berechnet. Der englische Arzt und Hobby-Astronom John Bevis hat deswegen sein Teleskop an der Sternwarte in Greenwich bei London zum Himmel gerichtet. Anfangs konnte er Venus und Merkur nahe beieinander sehen und sie bewegten sich immer weiter aufeinander zu. Für ein paar Minuten haben Wolken sein Sichtfeld bedeckt, aber als sie verschwunden waren, war Merkur ebenfalls nicht mehr da. Nur die hell leuchtende Venus war im Teleskop zu sehen bevor auch sie hinter den Wolken verschwunden ist.

Hat Bevis jetzt also eine Bedeckung des Merkur durch die Venus beobachtet? Oder haben ihn die Wolken durcheinander gebracht? Gut 100 Jahre später hat sich der große französische Himmelsmechaniker Urbain Le Verrier die Sache noch einmal angesehen. Wenn es jemanden gibt, der wirklich in der Lage ist, herauszufinden, wo sich Planeten am Himmel befinden, dann Le Verrier! Immerhin war er es, der rein aus der beobachteten Bewegung des Planeten Uranus berechnet hat, dass da noch ein weiterer Planet im Sonnensystem sein muss und auch noch so genau sagen konnte, wo man suchen muss, dass er ohne große Verzögerung gefunden werden konnte und heute als "Neptun" fixer Bestandteil des Sonnensystems ist. Le Verrier hat also berechnet, wo sich Merkur und Venus am 28. Mai 1737 am Himmel befunden haben. Sie haben einander tatsächlich bedeckt, aber zum Zeitpunkt von Bevis' Beobachtung war diese Bedeckung zum Teil schon wieder vorbei. Ein Stückchen von Merkur war schon wieder sichtbar, aber - und das ist das wirklich beeindruckende an Le Verriers Berechnung - dieses Stückchen konnte Bevis nicht sehen. Denn, so Le Verrier, der Merkur war nur circa zur Hälfte beleuchtet. So wie der Mond zeigt der innerste Planet auch Phasen und in dem Fall war quasi "Halb-Merkur". Die helle Hälfte war noch hinter der Venus, die dunkle aber nicht mehr. Für Bevis muss es also ausgesehen haben, als wäre der Merkur immer noch komplett bedeckt.

Je nachdem wie streng man sein will, hat also auch Bevis keine eindeutige Bedeckung von zwei Planeten beobachtet. Kepler und Mästlin haben das auch nicht und bei Gervasius von Canterbury reichen die verfügbaren Daten nicht um zu klären, was er im Detail gesehen hat. Es gibt natürlich auch noch andere Aufzeichnungen aus der Vergangenheit, zum Beispiel aus der astronomischen Forschung in China. Dort ist von einer extrem nahen Begegnung zwischen Mars und Jupiter am 9. Juni 493 die Rede, obwohl wir heute wissen, dass an diesem Tag nicht nur eine nahe Begegnung stattgefunden hat, sondern eine echte Bedeckung. Aber vielleicht hat man - wer auch immer damals beobachtet hat - einfach ein bisschen zu früh oder zu spät hingeschaut. Am 1. Mai 498 hat Heliodoros von Alexandria ebenfalls eine Bedeckung von Mars und Jupiter beobachtet, aber so wie im Fall von Mästlin und Kepler war auch das in Wahrheit nur eine nahe Begegnung.

Es gibt noch mehr Aufzeichnungen, aber nirgendwo lässt sich ohne jeden Zweifel belegen, dass da eine echte Bedeckung in echt beobachtet worden ist. Natürlich kann man sich fragen, ob das wichtig ist. Wir wissen, dass solche Bedeckungen stattfinden. Sie sind selten, aber auch nicht so enorm selten, dass wir keine Chance gehabt hätten, sie zu beobachten. Und was solls, wenn John Bevis vielleicht nur gesehen hat, wie die dunkle Hälfte des Merkurs hinter der Venus hervorlugt oder die Leute in China ein paar Minuten zu spät hingesehen haben? Und das ist alles natürlich richtig; es spielt keine Rolle. Aber einerseits ist so eine Planetenbedeckung durchaus ein beeindruckendes astronomisches Phänomen. Und man will vielleicht wissen, wer es zuerst beobachtet hat. Andererseits zeigt die Bedeckung zweier Planeten auch sehr schön, wie dynamisch unser Sonnensystem ist. Alles bewegt sich um die Sonne herum; nicht nur die anderen Planeten sondern auch wir. Wir beobachten den Tanz der Himmelskörper von einem Ort aus, der selbst Teil dieses Tanzes ist. Es geht immer herum um unseren Stern, in unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Bahnen, auf denen wir die Sonne umkreisen, werden im Laufe der Jahrhunderte größer und kleiner, sie wackeln im Raum herum und nur wenn alles exakt passt, können wir für einen kurzen Moment beobachten, wie ein Planet einen anderen bedeckt. Für die moderne Forschung mag eine Planetenbedeckung keinen Erkenntnisgewinn mehr bringen. Aber für uns Menschen lohnt es sich, darüber nachzudenken, denn dann bekommen wir ein besseres Gefühl für unseren Platz im Sonnensystem und im Universum.

Das ist auch ein Grund, warum wir solche Ereignisse beobachten wollen. Nach der Bedeckung von Merkur durch Venus 1737 gab es einen Transit der Venus vor dem Saturn, am 29. August 1771, aber zum relevanten Zeitpunkt waren beide Himmelskörper so nahe bei der Sonne, dass niemand das Ereignis beobachten konnte und die Venus hat den Saturn dabei genaugenommen auch nur gestreift und nicht vollständig verdeckt. Am 21. Juli 1793 hat der Merkur den Uranus bedeckt, aber auch das konnte niemand beobachten, weil der Merkur einfach so viel heller leuchtet als der Uranus und ihn schon lange vor der Bedeckung komplett überstrahlt hat. Am 9. Dezember 1808 gab es eine teilweise Bedeckung des Saturn durch den Merkur und am 3. Januar 1818 eine teilweise Bedeckung des Saturn durch die Venus. Und dann kam eine lange Pause… eine Pause, die immer noch andauernd. Die nächste totale Bedeckung zweier Planeten wird am 15. Juli 2067 stattfinden. Der sonnennächste Planet Merkur wird dann von der Erde aus gesehen, den sonnenfernsten Planeten, also Neptun, komplett bedecken. Aber zu diesem Zeitpunkt stehen beide sehr nahe an der Sonne und es wird schwer werden, das zu beobachten. Besser wird es am 11. August 2079: Da wird der Mars komplett hinter dem Merkur verschwinden - auch hier ist die Sonne vergleichsweise nahe am Himmel, aber bis dahin haben wir die Optik ja vielleicht schon in den Griff bekommen. Und der 11. August 2079 ist übrigens ein Freitag. Wenn es mich und diesen Podcast dann noch geben sollte, werde ich dann mehr über diese Entdeckung berichten, in Folge 3481 der Sternengeschichten.

Sternengeschichten Spezial April 2026

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

Folge 3 der Spezial-Serie! Ab jetzt ist es eine Tradition und es gibt zu Beginn neues aus der Forschung. Man hat mehr über die Thorne-Żytkow-Objekte herausgefunden, also hypothetische Strukturen, bei denen sich ein Stern im Inneren eines anderen befindet. Ich habe darüber schon in einer alten Folge erzählt, aber jetzt gibt es Neuigkeiten dazu, wie wahrscheinlich es ist, dass wir so etwas mal in echt finden. Danach erzähle ich ein wenig darüber, wie ich mit Fehlern umgehe, die ich im Podcast mache. Und erzähle auch, was ich abseits des Podcasts so mache, zum Beispiel in meinem Workshops für Wissenschaftskommunikation. Bei den Veranstaltungen gibt es einen dringenden Tipp für Kurzentschlossene: Am 28. April 2026 stellen Evi, Elka und Jana ihr Buch "Auf einen Kaffee im All" in Wien vor und das solltet ihr euch anschauen! Am Ende der Spezialfolge beantworte ich dann noch eine Frage von Stephanie über angebliche "interstellare Tunnel".

Die Folge über Thorne-Żytkow-Objekte gibt es hier. Die aktuelle Forschungsarbeit dazu ist diese hier

Tickets für die Buchpräsentation "Auf einen Kaffee im All" gibt es hier und hier die Infos zur Lesung am 21. Mai in der Thalia in Wien. Den Podcast Cosmic Latte solltet ihr auch hören.

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".

Termine der Sciencebusters gibt es hier und die von "Das Universum" sind hier.

Wer den Podcast finanziell unterstützen möchte, kann das hier tun: Mit PayPal (https://www.paypal.me/florianfreistetter)), Patreon (https://www.patreon.com/sternengeschichten)) oder Steady (https://steadyhq.com/sternengeschichten))

Feedback zu den Spezialfolgen bitte unter [email protected]

Sternengeschichten Folge 700: TOI-700 d

TOI-700 d ist ein sehr kryptischer Titel, wenn man nicht weiß worum es geht, aber es ist ein passender Titel für Folge 700 der Sternengeschichten und es ist, wie so oft in der Astronomie, nicht so sehr von Bedeutung, wie etwas offiziell bezeichnet wird, sondern um was es sich dabei handelt und welche Geschichten man darüber erzählen kann. Und über TOI-700 d kann man jede Menge Geschichten erzählen. Es handelt sich um den Planeten eines anderen Sterns; einen Planeten, der bei seiner Entdeckung zuerst falsch eingeschätzt wurde, sich aber dann, nach der Korrektur dieses Fehlers als einer der faszinierensten fremden Welten heraugestellt hat, die wir kennen. TOI-700 d ist ein Planet, der der Erde sehr ähnlich sein könnte und der gleichzeitig vermutlich extrem anders ist.

Aber fangen wir bei dieser Geschichte trotzdem mit dem Namen an. TOI 700 ist der Name eines Sterns. Er hat noch viele andere Bezeichnungen, die aber nur noch sehr viel längere und komplexere Aneinanderreihungen von Zahlen und Buchstaben sind. TOI 700 war die längste Zeit einfach zu unauffällig, um einen "schönen" Namen zu bekommen. Er ist einer der paar hundert Milliarden Sterne in unserer Milchstraße und ohne sehr gute Teleskope nicht zu sehen. Es handelt sich um einen roten Zwergstern in einer Entfernung von etwa 100 Lichtjahren. Er befindet sich dort am Himmel, wo man auch das Sternbild "Schwertfisch" sehen kann, und weil das am Südhimmel ist, kann man TOI 700 von Mitteleuropa aus gar nicht sehen. Der südliche Himmel, inklusive dem Sternbild Schwertfisch war aber auch das Ziel der Beobachtungen von TESS. Das steht für "Transiting Exoplanet Survey Satellite" und ist der Name eines Weltraumteleskops der NASA, das im Jahr 2018 ins All geflogen ist. Es hat sich aber nicht nur auf den Südhimmel konzentriert, sondern sollte mindestens 85 Prozent des gesamten Himmels durchmustern. Natürlich kann ein einziges Teleskop nicht ALLE Sterne beobachten die es gibt, zumindest nicht in einem vernünftigen Zeitraum. TESS sollte sich auf sonnenähnliche Sterne und die weniger hellen Sterne wie die roten Zwerge konzentrieren und von denen auch nur die, die nicht weiter weg als ungefähr 300 Lichtjahre sind. Mit dabei sollten auf jeden Fall die 1000 uns am nächsten gelegenen roten Zwergsterne sein. Zwergsterne, wie TOI 700, der glücklicherweise schon ziemlich am Beginn der TESS-Mission beobachtet wurde.

Daher hat der Stern auch seinen Namen: TOI steht für "TESS Object of Interest", was frei übersetzt bedeutet: "Stern, den TESS beobachtet hat". Und TESS hat diesen Stern nicht nur beobachtet, sondern dort auch etwas gefunden. Oder genauer gesagt: Nicht TESS hat etwas gefunden, sondern die amerikanische Astronomin Emily Gilbert. Oder noch genauer gesagt: Nicht Emily Gilbert alleine, sondern ein großes, internationales Team von Astronominnen und Astronomen. Aber Gilbert war diejenige, die die Arbeit zur Publikation der Entdeckung des Planeten koordiniert hat. Aber noch sind wir bei unserer Geschichte nicht bei der Entdeckung angelangt.

Man darf sich die Entdeckung eines extrasolaren Planeten nicht allzu spektakulär vorstellen. Beziehungsweise ist das eigentlich falsch. Eine ganze Welt zu entdecken, die einen anderen Stern umkreist ist enorm spektakulär. Aber das, was man sich da vielleicht vorstellt, ist nicht das, was in der Realität passiert. Da sind keine Astronominnen und Astronomen, die in kalten Nächten durchs Teleskop schauen und irgendwann begeistert aufspringen, weil sie einen unbekannten Planeten gesehen haben. Das, was da in Wahrheit passiert, läuft zu Beginn meist noch ohne menschliches Zutun ab. In diesem Fall misst TESS die Helligkeit von Sternen und vor allem die Veränderung dieser Helligkeit. Denn wenn so ein Stern von einem Planeten umkreist wird und der sich von uns aus gesehen gerade direkt vor dem Stern vorüber bewegt, blockiert er ein ganz klein wenig von dessen Licht. Der Stern leuchtet kurz schwächer und dieses Absinken der Helligkeit wiederholt sich in regelmäßigen Abständen. Zumindest ist das im Idealfall so, in der Realität sind die Daten nie so exakt und sauber. Es ist nicht immer sofort klar, ob da wirklich eine periodische Helligkeitsänderung ist oder nicht. Hier ist dann der Punkt, wo Menschen ins Spiel kommen. Die Software die die Teleskopdaten auswertet, markiert alle potentiell interessanten Fälle und die müssen sich die Astronominnen und Astronomen dann ansehen.

Und beim Stern TOI 700 hat es sich um einen ganz besonders interessanten Fall gehandelt. 2019 hat TESS dort gleich drei mögliche Planeten gemeldet. Emily Gilbert, damals noch Doktorandin an der Universität Chicago und Mitarbeiterin am TESS Projekt der NASA, hat sich die Daten mit ihren Kolleginnen und Kollegen angesehen. Drei Planeten bei einem Stern sind durchaus spannend, aber auf den ersten Blick haben diese Planeten noch nicht so spektakulär gewirkt, wie sie tatsächlich waren. Bis eine Person aus dem Team, der Astronom Josh Schlieder, gemerkt hat, dass bei der Datenauswertung etwas nicht korrekt gelaufen ist. Die Software hat nicht mit den realen Daten des Sterns gearbeitet, sondern quasi defaultmäßig die Werte für die Sonne eingesetzt. Und das macht einen großen Unterschied! Denn man kann ja die Planeten nicht direkt sehen. Man kann auch nicht direkt herausfinden, wie groß sie sind, und so weiter. Das muss man alles aus dem Helligkeitsabfall des Sterns bestimmen. Um daraus auf die Größe des Planeten schließen zu können, muss man aber natürlich auch wissen wie groß der Stern selbst ist. Wenn ich weiß, wie groß der Stern ist und sehe, um wie viel sein Licht schwächer wird, kann man daraus berechnen, wie viel der Sternfoberfläche der Planet verdeckt und daraus folgt die Größe des Planeten. Die Sonne ist die Sonne. TOI 700 ist aber ein roter Zwerg, der nur circa 42 Prozent des Sonnenradius hat. Oder anders gesagt: Wenn man die Daten der Sonne verwendet anstatt die des roten Zwergs, dann überschätzt man die Größe der Planeten.

Der Fehler wurde aber rechtzeitig entdeckt und auf einmal sind die drei Planeten von TOI 700 enorm interessant geworden. Alle drei waren vergleichsweise klein. Einer war fast so groß wie die Erde, der zweite mit dem 2,6fachen Erdradius größer und der dritte dafür nur ein kleines bisschen größer als die Erde. Alle drei Planeten waren vergleichsweise nahe am Stern. Im Sonnensystem würden sie sich alle weit innerhalb der Merkurbahn befinden und dementsprechend schnell bewegen sie sich auch um ihren Stern herum. Der innerste braucht nur 10 Tage für einen Umlauf, der mittlere Planet schafft eine Runde in 16 Tagen und der äußerste braucht auch nur wenig mehr als 37 Tage. Aber wir dürfen nicht vergessen, dass TOI 700 nicht die Sonne ist, sondern ein roter Zwerg. Seine Leuchtkraft ist sehr, sehr viel geringer als die der Sonne. Wenn ein Planet ausreichend viel Energie abbekommen will, um zumindest theoretisch lebensfreundliche Bedingungen zu bieten, muss er auch sehr viel näher an einen roten Zwerg heranrücken. In diesem Fall hat sich gezeigt, dass der äußerste der drei genau in diesem Bereich liegt. Wir haben also einen Planeten, der nur wenig größer als die Erde ist und sich genau in der richtigen Entfernung von seinem Stern befindet, um lebensfreundliche Temperaturen zu haben.

Aber bevor man sich Gedanken über die genauen Bedingungen machen kann, die dort vielleicht herrschen, muss zuerst einmal sicher sein, dass die Planeten wirklich da sind. In dem Fall hat man Daten eines anderen Weltraumteleskops, dem Spitzer Space Telescope, genutzt, um die Beobachtungen zu bestätigen. Und am 14. August 2020 konnte man dann offiziell verkünden, dass TESS seinen ersten erdgroßen Planeten in der sogenannten habitablen Zone um einen Stern gefunden hat. Die Planeten wurden, wie es üblich ist, der Reihe nach mit Kleinbuchstaben, beginnend mit "b", benannt, nämlich TOI-700 b, TOI-700 c und TOI-700 d. Und 2021 hat man sogar noch einen weiteren gefunden, TOI-700 e. Und TOI-700 d ist genau der, der vielleicht lebensfreundliche Bedingungen bietet. Aber, und das ist sehr wichtig, erdgroß heißt noch nicht erdähnlich. Zuerst man neben der Größe auch noch die Masse des Planeten bestimmen. Die kriegt man nur aus dem Abfall der Sternhelligkeit nicht raus, dafür braucht es zusätzliche Beobachtungen, mit anderen Methoden. Aber auch die wurden gemacht und wir wissen, dass TOI-700 d ungefähr die 2,4fache Erdmasse hat. Daraus folgt sofort, dass die mittlere Dichte des Planeten enorm hoch sein muss. Sie liegt bei circa 8,5 Gramm pro Kubikzentimeter, was sehr viel mehr ist als die 5,5 Gramm pro Kubikzentimeter mittlere Dichte der Erde. Und die mittlere Dichte der Erde ist schon sehr hoch; kein anderer Planet des Sonnensystems hat mehr als sie. Bei der Erde liegt das am großen Kern aus Eisen und Nickel, der sich im Inneren unseres Planeten befindet. TOI-700 d muss noch mehr Eisen und Nickel haben als die Erde und wo das her kommt, ist noch unklar.

Die Gleichgewichtstemperatur des Planeten liegt bei -4,3 Grad Celsius. Das klingt nicht sehr lebensfreundlich, aber das ist auch nur die Temperatur, die sich rein physikalisch einstellt, wenn man ein Objekt in einem bestimmten Abstand vor eine konkrete Energiequelle setzt. Strahlung geht hin, wird absorbiert und dann wieder abgestrahlt, so lange bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Rechnet man diese Temperatur für den Fall von Sonne und Erde aus, dann ergibt sich ein Wert von -18 Grad Celsius. Zum Glück liegt die Durchschnittstemperatur bei uns aber deutlich höher und der Grund dafür ist, dass etwas dieses Gleichgewicht stört oder besser gesagt, verschiebt. Dieses Etwas ist unsere Atmosphäre und die darin enthaltenen natürlichen Treibhausgase, die für eine zusätzliche Erwärmung sorgen. Wenn wir wissen wollen, wie warm es auf TOI-700 d tatsächlich ist, müssen wir wissen, ob und was für eine Atmosphäre dieser Planet hat.

Wir wissen, dass er eine Atmosphäre haben könnte. Entsprechende Computersimulationen haben gezeigt, dass eine Atmosphäre wie die der Erde dort zumindest länger als eine Milliarde Jahre existieren kann. Das ist nicht selbstverständlich, denn rote Zwerge leuchten zwar schwach, aber sie können trotzdem hinterhältig sein. Die kleinen Sterne haben nämlich üblicherweise eine sehr starke Aktivität, das heißt, sie schleudern sehr viel mehr Partikel und Material aus ihren äußeren Schichten ins All als zB die Sonne. Und das schafft Probleme für die Atmosphäre eines Planeten, die dadurch wie mit einem Sandstrahler abgetragen werden kann, wenn der Planet dem Stern zu nahe ist. Aber TOI 700 scheint ein überraschend braver roter Zwerg zu sein, ohne dramatische Ausbrüche, und der Planet kann eine Atmosphäre halten. Und wenn er das tatsächlich tut, dann dürfte es eine spannende Atmosphäre sein. Denn weil der Planet dem Stern so nahe ist, ist er mit ziemlicher Sicherheit gravitativ gebunden. Die Situation dort ist wie die zwischen Erde und Mond, wo der Mond immer die selbe Seite in Richtung Erde zeigt. Bei TOI-700 d ist also immer eine Hälfte des Planeten und vor allem immer die selbe Hälfte zum Stern gerichtet. Oder anders gesagt: Es gibt eine Hälfte, auf der immer Tag ist und eine, auf der immer Nacht herrscht. Das führt zu Temperaturunterschieden und das beeinflusst die Strömungen der Atmosphäre. Hätte TOI-700 d eine Atmosphäre wie die der Erde, dann würden sich dadurch zum Beispiel alle Wolken auf der hellen Seite sammeln.

Ein Planet im Licht eines roten Zwergs, auf dem es entweder immer Nacht, oder, auf der anderen Seite, ständig bewölkt ist: Das klingt nach einer faszinierenden Welt und man könnte endlos spekulieren, ob sich dort Leben entwickeln kann und wenn ja, wie das dann aussieht. Aber solange wir nicht wissen, ob es da eine Atmosphäre gibt und wie sie zusammengesetzt ist, müssen es reine Spekulationen bleiben. Bis wir die Technik haben, um das herauszufinden, wird es noch ein bisschen dauern. Aber es steht auf jeden Fall jetzt schon fest, dass es sich bei TOI-700 d um eine spektakuläre Welt handelt, egal ob sie der Erde ähnlich ist oder nicht.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PIA23408-Exoplanet-TOI700d-20200106.jpg

Sternengeschichten Folge 699: Die Monde des Dr. Waltemath

"Das Jahr 1898 scheint in den Annalen der Astronomie ein denkwürdiges Jahr zu werden. Es hat nicht nur bereits eine der erfolgreichsten totalen Sonnenfinsternisse erleben dürfen, sondern ein Hamburger Astronom hat auch die Entdeckung eines zweiten Mondes der Erde verkündet!"

So beginnt ein Artikel der am 24. März 1898 in einem amerikanischen Magazin erschienen ist. Die totale Sonnenfinsternis hat am 22. Januar 1898 stattgefunden. Aber was den zweiten Mond der Erde angeht, muss sich der Hamburger Astronom wohl geirrt haben. Denn der einzige Mond der Erde ist der, den wir immer schon hatten und auch jetzt noch haben. Aber die Frage nach diesem zweiten Mond und vor allem der Hamburger Astronom haben die Astronomie des frühen 20. Jahrhunderts noch eine Zeit lang beschäftigt. Es geht um Dr. Georg Wilhelm Waltemath. Er wurde am 24. August 1840 geboren und auch wenn er sich selbst gerne so bezeichnet hat und von diversen Medien immer wieder so bezeichnet wurde: Ein professioneller und wissenschaftlich ausgebildeter Astronom war er nicht. Aber er hat sich für die Astronomie interessiert und insbesondere für die Bewegung des Mondes. Mathematisch exakt zu beschreiben, wie sich der Mond um die Erde und beide um die Sonne bewegen, ist definitiv nicht einfach. Heute können wir das mit sehr genauen Computersimulationen lösen, aber damals konnte man nur rechnen, mit Stift und Papier. Das die Bewegung von mehr als zwei Körpern, die sich wechselseitig gravitativ beeinflussen, mathematisch nicht exakt gelöst werden kann, hat der französische Mathematiker Henri Poincaré erst 1890 bewiesen; aber es gibt natürlich diverse Näherungsmethoden, die aber höchst komplex und schwer anzuwenden sind. Die Geschichte dieser "Mondtheorie", wie man die Berechnung der Mondbahn genannt hat, hebe ich mir aber für eine andere Folge der Sternengeschichten auf, denn da gibt es überraschend viel zu erzählen. Für jetzt reicht es zu wissen, dass gegen des 19. Jahrhundert die beobachteten Positionen des Mondes nicht exakt mit den aus der Mondtheorie abgeleiteten Berechnungen übereingestimmt haben. Und Georg Waltemath fand das interessant. Er ging nicht davon aus, dass man es hier mit ungenauen Berechnungen zu tun hat. Sondern dass da etwas ist, was die Umlaufbahn des Mondes stört und so für die Abweichungen sorgt. Und dieses "etwas" ist ein zweiter Mond.

Aus heutiger Sicht klingt das ein wenig absurd, aber damals ist die Frage nach einem zweiten Erdmond in der Astronomie immer wieder aufgetaucht. Ich habe davon kurz in Folge 364 der Sternengeschichten erzählt, aber heute schauen wir uns das ein wenig genauer an. Schon 1846 hat der französische Astronom und Direktor der Sternwarte von Toulouse, Frédéric Petit, behauptet, einen zweiten Erdmond entdeckt zu haben. Seine Daten waren aber höchst unplausibel; dieser zweite Mond wäre erstens sehr klein gewesen und zweitens hätte er eine Bahn gehabt, die ihn bis auf wenig mehr als 11 Kilometer an die Erdoberfläche heran bringt. Aber immerhin hat es der Mond von Petit zu einem Gastauftritt in Jules Vernes Buch "Reise um den Mond" geschafft. Aber auch wenn niemand die Beobachtung von Petit bestätigt hat und auch kaum jemand in der Astronomie daran geglaubt hat, hat sich der Franzose nicht von der Idee abbringen lassen. Ein paar Jahre später hat er ein weiteres Mal die Existenz eines zweiten Mondes postuliert, diesmal aufgrund der Abweichungen zwischen der beobachteten und berechneten Position des Erdmonds am Himmel. Die Berechnungen waren so unzuverlässig wie beim ersten Mal und der Rest der Astronomie hat seine Arbeit weiterhin nicht ernst genommen. Aber vielleicht ist Georg Waltemath darauf gestoßen; vielleicht hat er die Idee auch unabhängig davon gehabt.

So oder so: Georg Waltemath war überzeugt, dass da ein zweiter Mond sein muss, dessen Einfluss erklärt, warum die Mondbewegung nicht mit den Berechnungen übereinstimmt. Er hat eine Umlaufzeit um die Erde von circa 177 Tagen, einen Durchmesser von 700 Kilometer und ist im Durchschnitt knapp über eine Million Kilometer von der Erde entfernt. 700 Kilometer - das ist nicht so groß wie der Mond den wir kennen, der immerhin einen Durchmesser von knapp 3500 Kilometer hat. Aber es ist auch kein winziger Felsbrocken und man fragt sich, warum niemand diesen zweiten Mond entdeckt hat. Das liegt daran, so Waltemath, dass der zweite Mond Sonnenlicht nur ganz schlecht reflektieren kann. Er ist dunkel und mit freiem Auge nicht zu sehen. Man braucht ein Teleskop und man muss genau wissen, wo man hinschauen muss, um ihn zu finden. Das ist zwar unpraktisch, aber es ist zumindest plausibel. Und es wäre noch viel plausibler gewesen, hätte Waltemath nicht ebenfalls behauptet, er hätte schon diverse Berichte von Leuten erhalten, die den zweiten Mond gesehen haben. Ein gewisser Herr Waller, ein Maler aus München und passenderweise ein Freund von Waltemath, soll den Mond am 16. Februar 1897 gesehen haben, als er direkt vor der Sonne vorüber gezogen ist. Und dann hat auch noch kein geringerer als Herr Postdirektor Ziegler aus Greifswald ein "merkwürdiges Phänomen" beobachtet, am 4. Februar 1898. Über diese Beobachtung wurde sogar ein Bericht in der Fachzeitschrift "Astronomische Nachrichten" veröffentlicht. "In den Mittagsstunden des 4. Februar wurde auf dem hiesigen Postgebäude ein merkwürdiges Phänomen vor der Sonne gesehen", beginnt der Bericht, den der deutsche Astronom Martin Brendel aufgeschrieben hat. Ein dunkler Körper wurde "dicht östlich der Sonne" bemerkt. Brendel merkt außerdem noch an, dass nicht nur der Postdirektor das Phänomen gesehen hat, sondern auch 11 weitere Personen, nämlich einige Familienangehörige und diverse Postbeamte. Aber gut, wenn ein gestandener preussischer Direktor etwas sieht, dann werden seine Untergeben und seine Familie ihm da vermutlich nicht widersprechen…

Waltemath war jedenfalls überzeugt von der Existenz seines zweiten Mondes. Er hatte allerdings Probleme, die Astronomie davon zu überzeugen. Magazine und Zeitungen haben seine Behauptungen gerne gedruckt, wie das von mir zitierte Beispiel zu Beginn dieser Folge zeigt. Aber die Fachwelt war skeptisch. Dabei hat Waltemath extra jede Menge Flugblätter und Schriften gedruckt, um die Wissenschaft zu informieren. Ein Beispiel davon aus dem Jahr 1898 beginnt mit den Worten "Aufruf an die Herren Astronomen und Freunde der Astronomie". Und geht weiter mit "Ein zweiter Mond der Erde. Die säkulare Beschleunigung der Mond-Bewegung in Länge ist bekanntlich um 5 Sekunden grösser, als sie nach der Störungs-Theorie aus den Einwirkungen der Planeten sein sollte und die Versuche, diese Acceleration zu erklären, sind bis jetzt nicht gelungen. Der Unterzeichner ist der Überzeugung, dass ein System kleiner Monde und Meteoriten die Beschleunigung herbeiführen. Thatsächlich ist auch am 11. Juni 1855 von Dr. Ritter, einem Lehrer der Polytechnischen Schule von Hannover, mit bloßem Auge ein runder schwarzer Körper beobachtet worden, der von rechts nach links an der Sonne vorüberging".

Und bald können sich die "Herren Astronomen" sowieso alle selbst von der Existenz des Mondes überzeugen. Denn, so die Berechnungen von Waltemath, am 30. Juli 1898 wird der Mond wieder direkt vor der Sonnenscheibe vorüber ziehen. Und vielleicht ist dem einen oder der anderen aufgefallen, dass in dem Zitat vorhin von einem "System kleiner Monde" die Rede war. Waltemath hatte seiner Meinung nach tatsächlich nicht nur einen zweiten Mond entdeckt, sondern auch noch einen dritten. Der soll mit 750 Kilometern ein wenig größer als der zweite sein, und noch dazu sehr viel näher, nämlich mit einem Abstand von 427250 Kilometern nur wenig weiter als der erste, also der "normale" Mond der Erde. Dieser Mond soll außerdem ein "wahrhafter Wetter- und Magnetmond" sein. Damit mein Waltemath, dass dieser Mond mit seinem Einfluss das Wetter der Erde beeinflusst und auch verantwortlich für diverse Wetterereignisse der Vergangenheit gewesen sein muss.

Nun ja. Am 30. Juli 1898 hat niemand den zweiten Mond gesehen und den dritten auch nicht. Und die Beobachtungen, die Waltemath selbst für seine Hypothese ins Feld führt, sind nicht so überzeugend, wie er vielleicht dachte. So gut wie immer geht es dabei nicht um Beobachtungen die in der Nacht gemacht worden sind, sondern um dunkle Flecken auf der Sonnenscheibe. Nur dass es eben keine Flecken auf der Sonne sind: Man sieht hier den zweiten Mond, wie er von uns aus gesehen gerade direkt vor der Sonne vorüber zieht. Und das ist auch nicht prinzipiell unplausibel. Es ist allerdings sehr schwer, Beobachtungen dieser Art zweifelsfrei zu belegen. Der Postdirektor aus Greifswald zum Beispiel, hat kein Teleskop gehabt. Sondern einfach mit freiem Auge zur Sonne geschaut. Dass das eher ungesund ist, muss ich hoffenlicht nicht extra erklären und dass da die Chancen gut stehen, alle möglichen dunklen Flecken irgendwo zu sehen, obwohl sie gar nicht da sind, ebenso. Das grelle Licht der Sonne ist nicht nur gefährlich für die Augen sondern kann auch alle möglichen optischen Täuschungen erzeugen. Und im Fall von Greifswald wissen wir auch, dass es sich um optische Täuschungen handelt. Denn Waltemath hatte - unter anderem - auch Ivo von Benko kontaktiert, Direktor der Sternwarte in Pola in Kroatien und gemeint, er solle zwischen 2. und 4. Februar die Sonne beobachten, weil da sein Mond vorbei kommen würde. Das hat von Benko auch gemacht, in aller astronomischen Sorgfalt und genau nichts gefunden. Was auch immer der Postdirektor in Greifswald gesehen hat, war mit Sicherheit kein zweiter Mond der Erde. Das hat der Herausgeber der Astronomischen Nachrichten auch mit Vermerk auf die Beobachtungen in Pola am Ende des von mir vorhin zitierten Berichts von Martin Brendel hinzugefügt. Und er merkt auch noch an: "Auf die Waltemath'sche Aufforderung, die wohl den meisten deutschen Sternwarten zugegangen ist, an dieser Stelle näher einzugehen, dürfte sich nicht der Mühe verlohnen, da die Grundlagen seiner Rechnung einer strengeren Kritik nicht Stand zu halten vermögen".

Und das ist aus meiner Sicht auch der relevante Punkt an dieser Geschichte. Es spricht nichts dagegen, neue, originelle, revolutionäre oder vielleicht sogar verrückte Ideen zu haben. Manchmal sind es genau diese Ideen, die die Wissenschaft voranbringen. Den Unterschied zwischen Beobachtung und Berechnung durch den Einfluss eines bis dahin unbekannten zweiten Erdmondes zu erklären, ist prinzipiell ok. Es ist keine unphysikalische Idee, es ist keine unmögliche Situation - die Entdeckung des Planeten Neptun ist ja zum Beispiel genau so abgelaufen, weil man seine Existenz aus Ungereimtheiten bei der Bewegung des Uranus abgeleitet hat. Aber man darf bei einer gute Ideen eben nicht aufhören. Sie muss erstens gut begründet sein und vor allem muss man die Gültigkeit der Idee überprüfen und - das ist der wirklich wichtige Punkt - das Ergebnis dieser Prüfung akzeptieren. Die Idee von Waltemath war für sich genommen nicht schlecht. Sie war außergewöhnlich und vielleicht ein klein wenig verrückt und man hat sie überprüft. Sie hat diese Prüfung nicht überlebt und Waltemath hätte das akzeptieren sollen, was er aber nicht getan hat. Stattdessen war er böse auf die "Herren Astronomen" und das ist leider die falsche Reaktion, zumindest dann, wenn man ernsthaft Wissenschaft betreiben will.

So wie Waltemath auf seiner Theorie beharrt hat, ist auch die Idee des zweiten Mondes geblieben. 1918 hat Walter Gornold behauptet, den zweiten Mond von Waltemath entdeckt zu haben. Gornold war aber kein Astronom sondern Astrologe und er hat den Mond "Lilith" genannt. Lilith, so Gornold, ist ein "dunkler" Mond und die meiste Zeit über unsichtbar. Aber natürlich wichtig für die Astrologie, weswegen dieses nicht-existente Objekt auch heute noch in diversen Horoskopen verwendet wird. 1926 war es ein dann deutscher Hobby-Astronom, ein gewisser Herr Spill, der einen zweiten Mond entdeckt haben wollte. Cuno Hoffmeister, damals Direktor der Sternwarte Sonneberg hat darüber in der Fachzeitschrift "Die Sterne" geschrieben und dabei auf die Thesen von Georg Waltemath verwiesen. Allerdings ohne dessen Namen zu nennen. Er schreibt, dass es vor einigen Jahrzehnten schon jede Menge Trubel mit Behauptungen über einen zweiten Mond gegeben hat, von einem "Dr. W aus Hamburg, dessen Name es nicht wert ist, aus der Vergessenheit gerettet zu werden". Ich hoffe, Cuno Hoffmeister ist nicht allzu böse über diese Folge…

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GeorgWaltemathannouncementofdiscoveryofsecondmoonof_earth.jpg

Sternengeschichten Folge 698: Beta Cephei und die Schwingung des Eisens

Beta Cephei gehört zu den helleren Sternen am Himmel. Er ist Teil des Sternbilds Kepheus. In der dazu gehörenden Mythologie war das der König von Äthiopien, Ehemann von Kassiopeia und Vater von Andromeda, die wir auch alle als Sternbilder am Himmel finden. In der Realität hat Beta Cephei nichts mit afrikanischen Königshäusern zu tun, sondern mit einer sehr faszinierenden Art der Sternschwingungen. Aber bevor wir uns anschauen, was es bedeutet, wenn ein Stern schwingt und wie er das noch dazu auf eine faszinierende Art tun kann, bleiben wir noch ein bisschen bei Beta Cephei selbst.

Man kann den Stern leicht mit freiem Auge und ohne optische Hilfsmittel sehen. Er ist, so wie die anderen Sterne des Kepheus von Mitteleuropa aus zirkumpolar. Das bedeutet, dass man ihn das ganze Jahr über sehen kann (aber natürlich nur in der Nacht und wenn es nicht bewölkt ist). Er befindet sich so weit nördlich am Himmel, dass er nicht auf- oder untergeht sondern Nacht für Nacht seine Kreise um den Himmelsnordpol zieht.

Man kann ihn also leicht beobachten und wenn man das mit ausreichend genauen Instrumenten macht, wird man feststellen, dass es sich um ein Doppelsternsystem handelt. Zwei Sterne umkreisen einander alle 81 Jahre und es ist ein interessantes Paar. Der eine ist blauer Unterriese und mehr als siebenmal größer als die Sonne. Seine Masse ist sieben bis zehnmal größer als die unseres Sterns und das bedeutet, dass der Stern auch enorm hell und heiß ist. Er leuchtet circa 20.000 mal heller als die Sonne und hat eine Oberflächentemperatur von um die 23.000 Grad, was sehr viel heißer ist als die gut 6000 Grad der Sonne. Sein Begleiter ist auch ein ordentlicher Brocken, mit circa der fünfachen Sonnenmasse. Die offizielle Bezeichnung für die beiden Sterne lautet Beta Cephei Aa und Beta Cephei Ab und wer sich mit Sternnamen auskennt, wird sich jetzt fragen: Moment, wenn es Aa und Ab gibt, dann muss es da noch mindestens einen Stern mit der Bezeichnung Beta Cephei B geben, sonst macht das keinen Sinn. Und so ist es auch, außen um beiden herum kreist noch ein dritter Stern. Aber der Stern, den man meistens meint, wenn man "Beta Cephei" sagt, ist der helle, heiße blaue Unterriese Beta Cephei Aa. Und "Unterriese" klingt erstens komisch und bedeutet zweitens, dass es sich um einen Stern handelt, der sich schon in Richtung Ende seines Lebens bewegt. Er ist gerade dabei, die letzten Reste des Wasserstoffs in seinem Zentrum zu Helium zu fusionieren und das führt ja - wie ich in einigen anderen Folgen erklärt habe - dazu, dass die Temperatur ansteigt und der Stern sich ein wenig aufbläht. In weiterer Folge kann er dann noch heißer und größer und ein echter Riesenstern werden. Aber so weit ist Beta Cephei noch nicht.

Beta Cephei Aa hat übrigens auch einen "echten" Namen, nämlich Alfirk. Das kommt auf jeden Fall aus dem arabischen und bedeutet möglicherweise "die Herde". Oder vielleicht auch "die zwei Sterne", weil Beta Cephei zusammen mit Alderamin, dem hellsten Stern im Kepheus, so bezeichnet wurde. Aber in dem Fall möchte ich Alfirk sowieso lieber ignorieren und bei "Beta Cephei" bleiben, denn dieser Name ist zur Bezeichnung einer ganzen Klasse von Sternen geworden.

Diese Geschichte beginnt 1902, als der amerikanische Astronom Edwin Brant Frost Beta Cephei beobachtet und eine Radialgeschwindigkeitsvariation entdeckt hat. Die Radialgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit mit der sich ein Stern auf uns zu - oder von uns weg - bewegt. Und wenn es da eine Variation gibt, also eine periodische Veränderung, dann bedeutet dass, der Stern kommt mal auf uns zu, dann wieder von uns weg, dann wieder auf uns zu, und so weiter. Oder anders gesagt: Der Stern wackelt und Frost hat sich gedacht: Aha! Beta Cephei muss in Wahrheit ein Doppelstern sein. Die beiden Sterne müssen sehr nahe beieinander sein, so dass wir das Paar im Teleskop nur als Einzelstern wahrnehmen und weil sie sich umkreisen, wackeln sie hin und her und das verursacht die Veränderung der Radialgeschwindigkeit. Und das ist auch völlig plausibel; genau so hat man schon jede Menge enge Doppelsterne entdeckt. Nur war das Wackeln in diesem Fall überraschend schnell, mit einer Periode von gut 4,5 Stunden. Das bedeutet, dass sich die beiden Sterne mit genau dieser Umlaufzeit umkreisen müssen und das bedeutet, dass sie einander WIRKLICH nahe sein müssen, was bei so großen und hellen Sternen eher unwahrscheinlich ist. Und dass es sich um einen - oder dann halt zwei - große und helle Sterne handeln muss, wusste man damals auch schon.

Als nächster hat sich der deutsche Astronom Paul Guthnick die Sache angesehen. Ab 1911 hat er von der Berliner Sternwarte aus immer wieder Beobachtungen von Beta Cephei angestellt; sich dabei aber nicht auf die Radialgeschwindigkeit konzentriert, sondern auf die Helligkeit. 1913 hat er die Ergebnisse veröffentlicht: Die Leuchtkraft von Beta Cephei schwankt periodisch. Der Stern wird heller und dunkler und das mit einer Periode von ebenfalls circa 4,5 Stunden. Die Helligkeitsveränderung war so schwach, dass Guthnick sie zuerst für einen Messfehler gehalten hat. Aber seine immer genaueren Messungen haben das Resultat bestätigt: Beta Cephei wird heller und dunkler, mit der selben Periode mit der er angeblich auch um seinen Begleiter kreist. Nur dass es diesen Begleiter eben nicht gibt (bzw. schon, wie ich gerade erzählt habe, aber das ist ein völlig anderer Stern, der später entdeckt wurde und nichts mit dem Phänomen der 4,5h-Periode zu tun hat). Der Stern wackelt, ja - aber dieses Wackeln kommt aus ihm selbst. Er pulsiert, er wird größer und kleiner und damit heller und dunkler. Und wenn er größer und kleiner wird, bewegt er sich im Prinzip ja auch auf uns zu und von uns weg; zumindest seine Oberfläche. Es ist also logisch, dass die Radialgeschwindigkeit und die Helligkeit sich mit der gleichen Periode verändern.

Aber warum macht Beta Cephei das? Er macht das durch den selben Mechanismus, durch den auch viele andere Sterne pulsieren und über den ich schon ausführlich in den Folgen 64 und 144 der Sternengeschichten gesprochen habe. Aber weil es wichtig ist, fasse ich das hier noch einmal kurz zusammen. Es geht nämlich um den sogenannten Kappa-Mechanismus und der funktioniert so. Es geht um das Konzept der Opazität, also die Tatsache, dass das Plasma aus dem der Stern besteht, zum Teil undurchlässig für die Strahlung ist, die aus seinem Inneren kommt. Die Opazität hängt im Allgemeinen vom Druck und der Temperatur ab und damit ein Stern pulsieren kann, muss irgendwo im Stern eine Gasschicht existieren, wo die Opazität mit der Temperatur steigt. Dann passiert das folgende: Irgendeine äußere Störung kann diese Schicht komprimieren, sie rückt also näher an das Zentrum des Sterns. Und weil die Region komprimiert wird, steigen dort auch Druck und Temperatur; dadurch steigt die Opazität. Deswegen kann von weiter innen nun weniger Strahlung nach außen kommen. Der Strahlungsdruck unter der Schicht steigt also langsam an und irgendwann beginnt die Schicht, sich dadurch wieder auszudehnen. Sie kühlt dabei ab, der Druck sinkt auch und die Opazität wird wieder geringer. Die darunter angestaute Strahlung entweicht schnell und der dadurch ebenso schnell abnehmende Druck sorgt dafür, dass die Schicht wieder nach unten gedrückt wird und der ganze Zyklus beginnt von neuem. Diesen Prozess nennt man "Kappa-Mechanismus" und er funktioniert immer dann, wenn es im Sterninneren irgendwo diese spezielle Schicht mit der temperaturabhängigen Opazität gibt. Ich lasse die komplexen Details jetzt weg, aber in vielen Sternen ist das dort der Fall, wo es gerade heiß genug ist, um Helium teilweise zu ionisieren, also Elektronen aus der Hülle der Heliumatome zu lösen. Wenn diese Schicht dann noch genau in der richtigen Tiefe liegt, kann der Kappa-Mechanismus starten. Aber Beta Cephei ist ein extrem heißer Stern und viel massereicher als die klassischen variablen Sterne. Natürlich wird auch dort Helium ionisiert, aber schon so nahe unter der Sternoberfläche, dass der Kappa-Mechanismus dort nicht in Schwung kommen kann. Aber WEIL Beta Cephei so heiß ist, kann er auch Eisenatome ionisieren und das schon in einer Tiefe, die genau für den Kappa-Mechanismus klappt. Wie gesagt, ich lasse die komplexen Details aus, aber der Kappa-Mechanismus funktioniert immer dann gut, wenn ausreichend viele ionisierte Atome in der Schicht vorhanden sind. Ob und wie das klappt, hängt davon ab, wie und welche Mengen an Atomen in welcher Tiefe existieren und wie sich die Temperatur mit der Tiefe ändert. Bei manchen Sternen passt die Kombination nirgendwo und das sind dann Sterne wie unsere Sonne, die nicht regelmäßig pulsieren. Bei ihnen sind die entsprechenden Schichten zu tief im Stern, wo die Pulsationen extrem langsam laufen oder zu nahe an der Oberfläche, wo die Pulsation quasi verpuffen. Aber bei manchen Sternen passt es und bei Beta Cephei findet die Ionisierung der Eisenatome gerade in der richtigen Tiefe statt.

Wie schnell so ein Stern dann genau pulsiert, hängt, vereinfacht gesagt, von seinen bevorzugten Eigenschwingungen ab. Es ist ein wenig bei einer Glocke. Eine große Kirchenglocke schwingt langsam und erzeugt einen tiefen Ton. Eine kleine Glocke erzeugt einen höheren Ton mit einer kürzeren Periode. Und Beta Cephei ist zwar ein großer Stern, entspricht aber in diesem Bild einer kleinen Glocke. Er pulsiert daher sehr schnell, mit der schon erwähnten Periode von 4,5 Stunden. Klassische Veränderliche Sterne pulsieren mit einer Periode von einigen Tagen bis Monaten.

Im Laufe der Jahre hat man noch ein paar andere Sterne gefunden, die auf die gleiche schnelle Weise pulsieren und ihre Helligkeit verändern wie es Beta Cephei tut. In den 1960er Jahren kannte man schon 41 und Ende der 1990er Jahre waren es 59, plus 79 mögliche Kandidaten. Ein Katalog aus dem Jahr 2005 enthält 93 Sterne dieser Art, plus 77 weitere Kandidaten. Sie alle gehören zur Klasse der Beta-Cephei-Sterne, wie diese Gruppe der veränderlichen Sterne mittlerweile offiziell heißt.

Sie sind nicht häufig, weil die großen und hellen Sterne, die es braucht um ein Beta-Cephei-Stern zu werden, selten sind. Aber sie sind wichtig, weil wir mit ihnen besser verstehen können, wie diese selten Sterne funktionieren und was in ihrem Inneren passiert. Die großen Sterne sind es ja auch, die als Supernova explodieren und den Rest des Universums mit den vielen chemischen Elementen anreichern, die sie zuvor in ihrem Inneren erzeugt haben. Sie sind die Vorläufer von schwarzen Löchern und Neutronensternen und wenn wir ihre Pulsationen beobachten und verstehen, dann lernen wir auch, was in ihnen passiert. Beta-Cephei-Sterne und ihre Eisen-Schwingungen erlauben uns einen wunderbaren Blick auf und vor allem in die massereichen Sterne.

Und Beta Cephei selbst, der Namensgeber und Prototyp dieser Klasse, wird in Zukunft noch aus einem weiteren Grund prominent werden. Ab dem Jahr 5200 und bis circa zum Jahr 7500 wird er dem Himmelsnordpol so nahe sein wie kein anderer Stern. Oder genauer gesagt: Beta Cephei und der fast gleichhelle Stern Iota Cephei werden beide dem Himmelsnordpol fast gleich nahe sein. Da, wo sich jetzt am Himmel der Polarstern befindet, wird der Punkt auf den die Rotationsachse der Erde dann zeigt, von zwei gleich hellen Sternen eingerahmt und einer davon ist Beta Cephei.

Sternengeschichten Folge 697: Das Uratom und die Entstehung des Universums

„Mit dem gleichen klaren und kritischen Blick, mit dem [der aufgeklärte moderne wissenschaftliche Mensch] die Fakten prüft und beurteilt, erblickt und erkennt er das Werk der schöpferischen Allmacht, deren Tugend, angeregt durch das mächtige ‚Fiat‘, das vor Milliarden von Jahren vom Schöpfergeist ausgesprochen wurde, sich im Universum entfaltete, der mit einer großzügigen Geste der Liebe die überbordende Energiematerie ins Leben ruft. Es scheint wirklich, dass es der heutigen Wissenschaft, die plötzlich Millionen von Jahrhunderten zurückgreift, gelungen ist, Zeuge dieses ursprünglichen ‚Fiat Lux‘ zu werden, als aus dem Nichts ein Meer aus Licht und Strahlung mit Materie hervorbrach, während die Teilchen chemischer Elemente sich spalteten und wieder vereinten in Millionen von Galaxien.“

Das hat Papst Pius XII im Jahr 1951 bei einer Tagung der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften über die Frage der Entstehung des Universums gesagt. Das, was da der "Wissenschaft gelungen" ist, war die Arbeit eines belgischen Forschers, der gleichzeitig auch Priester war und dieser Priester war gar nicht erfreut darüber, dass seine Arbeit auf diese Weise in den Dienst der Religion gestellt worden ist. Es geht in dieser Folge um Georges Lemaître, der als erster eine Idee formuliert hat, die wir heute als "Urknall" bezeichnen und maßgeblich dazu beigetragen hat, unser modernes Bild von der Entstehung und Entwicklung des Universums zu formen. Meistens hört man über ihn nur, dass er sich mit der Arbeit von Albert Einstein beschäftigt hat, dass er behauptet hat, dass das Universum nicht immer schon existiert sondern einen Anfang in der Zeit hat und man weist natürlich darauf hin, dass er Priester war und dass es schon ein wenig seltsam ist, wenn gerade ein Priester mit so einem "Schöpfungsakt" daher kommt. Und es stimmt, dass Georges Lemaître ein Priester war. Er war aber vor allem auch ein ausgebildeter und seriöser Wissenschaftler und seine Idee vom Anfang des Universums hat so gar nichts mit Religion zu tun.

Lemaître ist am 17. Juli 1894 geboren worden, in der belgischen Stadt Charleroi. Er hat sich schon als Jugendlicher sowohl für die Wissenschaft, als auch für Religion interessiert. Er wurde in einer Schule der Jesuiten ausgebildet und wollte eigentlich direkt danach Priester werden. Sein Vater konnte ihn aber überzeugen, zuerst noch ein Studium der Ingenieurswissenschaft zu absolvieren; etwas, das man im Belgien der damaligen Zeit und dem dort intensiv betriebenen Bergbau gut brauchen konnte. Dieses Studium wurde aber vom Ausbruch des ersten Weltkriegs unterbrochen und Lemaître hat sich freiwillig zur Armee gemeldet, um Belgien gegen den Angriff von Deutschland zu verteidigen. Nach dem Krieg hat Lemaître sein Studium wieder aufgenommen, ist aber von den Ingenieurswissenschaften zu Physik und Mathematik gewechselt. 1920 hat er sein Doktorat an der Universität Löwen bekommen; zwischenzeitlich hat sich Lemaître auch im Priesterseminar eingeschrieben und wurde 1923 zum Priester geweiht. Und im Priesterseminar ist er auch das erste Mal mit der Relativitätstheorie von Albert Einstein in Kontakt gekommen. Die war damals noch recht frisch; vor allem die Allgemeine Relativitätstheorie, die sich mit dem Zusammenhang zwischen Raum, Zeit und Gravitation beschäftigt. Albert Einstein hat sie 1915 veröffentlicht, aber so richtig prominent ist die Theorie erst 1919 geworden, als der britische Astronom Arthur Eddington den Effekt der Raumkrümmung durch Massen bei der Beobachtung einer Sonnenfinsternis auch einwandfrei nachweisen konnte.

Ich habe in diversen anderen Folgen der Sternengeschichten schon davon erzählt, aber Einsteins Theorie kann man ja nicht nur dazu verwenden, das Verhalten von Massen zu beschreiben, die den Raum krümmen und sich dann durch diesen gekrümmten Raum bewegen. Sondern auch dazu, dass Universum in seiner Gesamtheit zu beschreiben. Einstein und die meisten anderen Wissenschaftler sind damals davon ausgegangen, dass das Universum statisch und unendlich ist. Das soll heißen: Es hat keinen Anfang und kein Ende; es war immer schon da und wird auch immer da sein und es verändert sich nicht. Das Problem: Einsteins eigene Gleichungen waren nicht in der Lage, dieses Verhalten auch zu beschreiben. Wenn man sie entsprechend gelöst hat, war das Ergebnis immer ein Universum, dass sich verändert; ein Universum, dass sich ausdehnt oder kollabiert. Deswegen hat Einstein seine berühmte kosmologische Konstante eingeführt, von der ich in Folge 249 ausführlich erzählt habe. Nur mit dieser Korrektur konnte er ein Universum so beschreiben, wie er sich das vorgestellt hat. Lemaître hat die Gleichungen von Einstein ebenfalls ausführlich untersucht und konnte schon 1922 zeigen, dass die kosmologische Konstante keine reine Korrektur ist, sondern tatsächlich direkt aus Einsteins Gleichungen folgt. Das war aber erst der Anfang. Lemaître hat weiter geforscht, ist auch in die USA gereist um dort mit Leuten wie Vesto Slipher zu sprechen, die die fernen "Nebel" beobachtet haben, von denen man damals noch nicht wusste, dass es noch viel weiter entfernte Galaxien sind. Das konnte erst Edwin Hubble mit seinen heute berühmten Beobachtungen nachweisen, die er 1925 bei einer Konferenz vorgestellt hat; im Publikum saß auch Lemaître. Die Frage nach dem Universum selbst war aber immer noch offen. Einstein selbst hat seine Lösung favorisiert, bei der das Universum statisch ist, beziehungsweise dass durch die Kraft der von ihm eingeführten kosmologischen Konstante statisch gehalten wird. Vereinfacht gesagt: Das Universum will eigentlich in sich zusammenfallen. Aber weil da eben diese abstoßende Kraft ist, die die Konstante beschreibt, gleicht sich alles aus und alles bleibt wie es ist. Es gab aber auch noch eine andere Lösung, nämlich die des niederländischen Astronomen Willem de Sitter. Er hat ein Universum beschrieben, das ebenfalls statisch ist, aber bei dem Lichtwellen, die aus großer Entfernung zu uns kommen, in Richtung der Farbe Rot verschoben sind. Das war auch genau das, was Edwin Hubble und seine Kollegen beobachtet haben: Das Licht ferner Galaxien ist tatsächlich rotverschoben. Das Universum von de Sitter war allerdings nur ein mathematisches Konstrukt; seine Lösung funktioniert nur, wenn es sich um ein Universum handelt, das keine Materie enthält.

Georges Lemaître hat über all das nachgedacht. Er hat sich mit all diesen Lösungen beschäftigt; hat die Beobachtungsdaten von Slipher, Hubble & Co gesammelt und dann 1927 eine Arbeit geschrieben, mit dem Titel "Über ein homogenes, expandierendes Universum mit konstanter Masse". Darin beschreibt er, basierend auf Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, einen Kosmos, der sich ausdehnt und in dem das Licht der fernen Galaxien deswegen rotverschoben ist, um so stärker, je weiter sie entfernt sind. Diese Lösung der Einsteinschen Gleichungen war nicht neu; der russische Physiker Alexander Friedman hat sie schon 1922 gefunden. Aber davon wusste Lemaître nichts; die Arbeit von Friedmann ist generell ziemlich ignoriert wurden und das selbe Schicksal hat auch die Arbeit von Lemaître ereilt. Die Wissenschaft war offensichtlich noch nicht bereit für ein expandierendes Universum. Im Oktober 1927 fand eine große wissenschaftliche Konferenz in Belgien statt, bei der auch Einstein eingeladen war. Lemaître nicht, aber er konnte die Gelegenheit trotzdem nutzen, um mit ihm über seine Arbeit zu besprechen. Einstein war durchaus beeindruckt von der Mathematik. Aber nicht von der Physik. Er wollte nur ein Universum, in dem die kosmologische Konstante den Wert hat, den sie braucht, damit das Universum statisch bleibt und keinen Wert, mit dem es expandiert. "Ihre Mathematik ist korrekt, aber ihre Physik ist grauenhaft", soll Einstein zu Lemaître gesagt haben. Sowohl von der Mathematik als auch der Physik höchst beeindruckt war Arthur Eddington, der sich auch dafür eingesetzt hat, dass die Arbeit von Lemaître auf englisch übersetzt und in einer englischen Fachzeitschrift veröffentlicht wird. Diese Version wurde dann 1931 veröffentlicht; Lemaître hat davor aber noch die Berechnungen gestrichen, die eine Expansion des Universums beschreiben. Später hat er gesagt, er habe das deswegen getan, weil mittlerweile die beeindruckenden Beobachtungsdaten von Edwin Hubble vorhanden waren, die ja gezeigt haben, dass das Universum expandiert.

Auf jeden Fall war die Idee des expandierenden Universums nun in der Welt, auch wenn viele Forschende immer noch nicht überzeugt waren, dass sich das Universum wirklich ausdehnt. Denn wenn es immer größer wird, muss es in der Vergangenheit ja kleiner gewesen sein und irgendwann muss es dann doch einen Anfang gehabt haben? Arthur Eddington hat das so formuliert: "Philosophisch gesehen ist mir der Gedanke an einen Anfang der gegenwärtigen Weltordnung zuwider". Und genau mit diesem Satz beginnt auch ein wissenschaftlicher Aufsatz, den Georges Lemaître am 9. Mai 1931 veröffentlicht hat. Er trägt den Titel "Der Anfang der Welt aus dem Blickwinkel der Quantenmechanik" und obwohl er nur sehr kurz ist, finden sich darin ein paar sehr beeindruckende Gedanken. Der erste davon steckt schon im Wort "Quantenmechanik". Heute ist es für uns ganz normal, dass Kosmologie und Quantenmechanik zusammenhängen. Ok, vermutlich ist das für die meisten nicht normal, aber für die, die auf diesem Gebiet arbeiten, ist es das. Wir müssen auch über das allerkleinste Bescheid wissen, wenn wir verstehen wollen, wie das Universum funktioniert. Wir müssen die subatomaren Kräfte verstehen, wenn wir wissen wollen, wie sich das Universum entwickelt hat, und so weiter. Aber damals war das definitiv kein normaler Gedanke. Die Quantenmechanik war in den 1930er Jahren selbst noch jung, gerade in der Entstehung begriffen und noch längst nicht fertig entwickelt. Trotzdem hat Lemaître vermutet, dass die Entstehung des Universums mit der Quantenmechanik zu tun hat. Nachdem er den Satz von Eddington in der Einleitung zitiert, stellt er fest, dass die - laut Quantenmechanik - die Energie konstant und in diskreten Quanten verteilt ist. Genau das ist ja die Grundidee der Quantenmechanik: Energie kann es nur in bestimmten, kleinstmöglichen Energiepaketen geben. Er stellt außerdem fest, dass die Anzahl dieser Energiepakete im Laufe der Zeit immer größer wird. Am Anfang des Universums muss die gesamte Energie des Universums in einem einzigen Energiepaket gesammelt gewesen sein, quasi einem enormen riesigen Universumsquant oder, wie es später bezeichnet worden ist, einem "Uratom". Auch damals wusste man schon, dass es instabile Atome gibt, die im Laufe der Zeit in leichtere Atome zerfallen. Das ist das, was wir als Radioaktivität kennen und Lemaître hat sich gedacht, dass genau das passiert ist, als das Universum entstanden ist. Am Anfang war dieses Uratom, mit aller Energie, die es gibt und das ist zerfallen, in immer leichtere Atome, bis so die Materie entstanden ist, die wir heute sehen. Er stellt außerdem noch fest, dass Begriffe wie "Raum" und "Zeit" auf Quantenebene keine Bedeutung haben und erst relevant geworden sind, nachdem das Uratom mit seinem Zerfall begonnen hat. Das Uratom selbst war quasi zeitlos und es macht keinen Sinn, sich zu fragen, was davor war. Lemaître hat später auch postuliert, dass beim Zerfall des Uratoms Strahlung freigeworden sein muss, so wie es auch jetzt beim radioaktiven Zerfall passiert. Diese Strahlung könnte man vielleicht heute noch nachweisen und Lemaître hat vermutet, dass die - damals ebenfalls noch quasi frisch entdeckte - kosmische Strahlung über die ich in Folge 317 mehr erzählt habe, genau diese Strahlung des Zerfalls vom Anfang des Universums ist.

In seiner kurzen Notiz schreibt er auch noch, dass es schwierig ist, das alles konkret mathematisch zu formulieren, weil man noch zu wenig über die Quantenmechanik weiß, aber dass er hofft, dass das in Zukunft anders sein wird.

Mittlerweile wissen wir, dass es mit dem Urknall ein bisschen anders war, als Lemaître sich das vorgestellt hat. Aber im Prinzip hat er recht gehabt. Am Anfang war die gesamte Energie des Universums in einer unvorstellbar kleinen Region konzentriert und daraus hat sich alles andere entwickelt. Lemaître war der erste, der so eine konkrete Idee vom Anfang entwickelt hat; er war der erste, der sich einen "Urknall" im modernen Sinn vorgestellt hat.

Was er nicht im Sinn gehabt hat, war die Rechtfertigung der biblischen Schöpfung durch wissenschaftliche Mittel. Er war zwar Priester, aber er hat auch darauf hingewiesen, dass man die Bibel nicht wörtlich verstehen kann; dass man sowohl an einen Gott glauben, als auch Wissenschaft betreiben kann, die beiden Themen aber nicht vermischen sollte. Deswegen war er auch so konsterniert, als der Papst seine Arbeit als Rechtfertigung der göttlichen Schöpfung erwähnt hat und er hat ihn danach extra in einem persönlichen Gespräch gebeten, in Zukunft so etwas zu unterlassen.

Lemaître hat noch weitere wichtige Arbeiten auf dem Gebiet der Kosmologie geleistet und er hat, kurz vor seinem Tod im Juni 1966 noch miterlebt, wie die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt wurde. Das war nicht die Art von Strahlung, die aus dem Zerfall seines "Uratoms" stammt - aber es war der erste konkrete Beobachtungshinweis darauf, dass das Univerums tatsächlich bei einem Urknall in der Vergangenheit entstanden sein muss. Ich möchte diese Folge mit den Worten beenden, mit denen Lemaître auch seine Arbeit über die Entstehung des Universums beendet hat:

"Wir verstehen unsere Welt heute als eine Welt, in der die Dinge wirklich passieren; die ganze Geschichte des Universums muss im ersten Quantum nicht so aufgeschrieben gewesen sein, wie Musik auf einem Phonographen. Die ganze Materie der Welt muss am Anfang vorhanden gewesen sein, aber die Geschichte, die sie zu erzählen hat, ist Schritt für Schritt geschrieben worden."

Sternengeschichten Folge 696: Der Komet und das Ende der Clovis-Menschen

Nordamerika, vor circa 13.000 Jahren. Die Menschen, die zu dieser Zeit hier leben sind die Nachfahren derjenigen, die am Ende der Altsteinzeit von Sibirien aus nach Alaska und damit nach Nordamerika eingewandert sind. Das war damals noch zu Fuß möglich; die Erde befand sich in einer Kaltzeit und viel Wasser war in Form gewaltiger Gletscher auf den Kontinenten gefroren. Der Meeresspiegel lag tiefer und Eurasien und Amerika waren durch eine Landbrücke verbunden. Die Menschen, die so nach Nordamerika eingewandert sind, nennen wir heute die Clovis-Kultur. Sie lebten von der Jagd, auf Mammuts und Bisons und auch auf kleinere Tiere. In den Steppen und Wälder waren damals noch Tiere unterwegs, die heute längst ausgestorben sind; nicht nur die Mammuts sondern zum Beispiel auch das Mastodon, Riesenfaultiere, Säbelzahntiger und andere große Tiere, die man als "Megafauna" bezeichnet. Die Menschen der Clovis-Kultur lebten in einfachen Hütten oder Höhlen; sie verwendeten Waffen und Werkzeuge aus Feuerstein. Sie beerdigten ihre Toten und ritzten Kunstwerke in Steine. Sie lebten ein normales, steinzeitliches Leben. Aber eines Tages ist etwas außergewöhnliches passiert. Schon in den Nächten der Wochen zuvor war ein helles Objekt am Himmel zu sehen. Kein Stern, sondern ein großes, neblig aussehendes Ding mit einem hellen Schweif. Später war es dann auch tagsüber sichtbar und es wurde von Tag zu Tag, von Nacht zu Nacht größer. Bis es dann in einer gewaltigen Explosion am Himmel auseinandergebrochen ist. Bruchstücke sind überall auf der Erde niedergegangen und haben gewaltige Brände ausgelöst. Und aus dem Norden kam eine ebenso gewaltige Flutwelle aus Wasser. Es war das Ende der Clovis-Kultur; das Ende der nordamerikanischen Megafauna und das Ende der jüngeren Dryaszeit, also der erdgeschichtlichen Epoche, die unmittelbar vor dem Holozän liegt, unserer gegenwärtigen Epoche.

Es ist eine dramatische Geschichte, die wir in der Form bis jetzt zum Glück eigentlich nur aus der Science Fiction kennen. Ein Asteroid oder Komet droht mit der Erde zu kollidieren und die Zivilisation auszulöschen. In der Science Fiction sind wir dann dank unserer Technik in der Lage, die Katastrophe zu verhindern. Aber die Menschen der Steinzeit konnten nur hilflos bei ihrem Untergang zusehen, ohne zu wissen, was da passiert. Wir wissen, dass die Erde im Laufe ihrer Geschichte immer wieder von anderen Himmelskörpern aus dem Weltall getroffen wurde und wir wissen auch, dass solche Ereignisse gewaltige und katastrophale Folgen haben. Es ist also prinzipiell nicht unwahrscheinlich, dass so etwas auch vor 13.000 Jahren passiert ist und, wenn auch nicht die gesamte damalige Menschheit, aber zumindest die Clovis-Kultur ausgelöscht hat. Aber diese Geschichte ist höchstwahrscheinlich falsch. Die Hypothese eines Einschlags am Ende des Pleistozäns ist spektakulär und taucht immer wieder in den Medien auf. Die Belege dafür sind aber bestenfalls dürftig.

Schauen wir zuerst einmal auf die Fakten. Wir wissen, dass irgendwann vor circa 12.000 Jahren die Jüngere Dryaszeit zu Ende gegangen ist. So bezeichnet man eine Phase, in der die Erde nach einer Erwärmung gegen Ende der letzten Kaltzeit noch einmal schnell und für circa 1000 Jahre abgekühlt ist. Erst als diese Phase vorüber war, war die Kaltzeit wirklich vorbei und es hat die Phase begonnen, die wir "Holozän" nennen, also die wärmere Phase die bis heute andauert. Wir wissen auch, dass die Clovis-Kultur in Nordamerika tatsächlich vor circa 13.000 Jahren existiert hat und dass die nordamerikanische Megafauna am Ende der jüngeren Dryaszeit verschwunden ist.

Was wir nicht wissen, zumindest nicht mit absoluter Sicherheit: Warum ist das damals alles passiert? Aber der amerikanische Chemiker Richard Firestone hatte dazu im Jahr 2007 eine Idee. Ein großes Objekt ist damals mit der Erde kollidiert. Ein Komet, circa 4.5 Kilometer groß, aber mit geringer Dichte. Deswegen ist das Objekt auch nicht als ganzes am Erdboden eingeschlagen, sondern noch in der Atmosphäre auseinandergebrochen. Das ist irgendwo über Kanada passiert und die Trümmer sind überall heruntergekommen. Sie haben einerseits großflächige Waldbrände ausgelöst und andererseits das Eis destabilisiert, dass im Norden das Wasser des Agassizsee zurückgehalten hat. Gegen Ende der letzten Kaltzeit sind die gewaltigen Eisschilde langsam geschmolzen, die den Norden Amerikans bedeckt haben. Das Schmelzwasser hat sich unter anderem in Form eines enormen Sees gestaut, der größer war, als alle der heutigen Großen Seen zwischen Kanada und den USA. Zurückgehalten wurde es durch die Reste des Eisschildes, aber als das Objekt aus dem All einschlug, wurde diese Staumauer zerstört und riesige Wassermassen freigesetzt. Das war schon katastrophal genug, aber das ganze Frischwasser floss in die Ozeane, veränderte dadurch die Meeresströmungen, was, zusammen mit dem Staub, der durch Einschlag und Waldbrände in die Atmosphäre gelangt ist, zu einer neuerlichen Abkühlung und Vergletscherung der Erde geführt hat. Und natürlich zum Aussterben der Clovis-Kultur und der nordamerikanischen Megafauna. Erst als sich die Erde von diesem Einschlag wieder erholt hat, war die Kaltzeit dann wirklich vorbei und das Holozän konnte beginnen.

Wie gesagt: Prinzipiell ist das eine plausible Hypothese. Nichts davon ist unmöglich; so etwas kann passieren. Wenn man aber behaupten will, dass es auch wirklich passiert ist, braucht man dafür Belege. Und die, so Richard Firestone, gibt es. Wenn man sich archäologische und geologische Grabungen ansieht, dann findet man überall in Nordamerika eine dunkle, kohlenstoffreiche Schicht. Unterhalb davon gibt es Fundstücke aus der Clovis-Kultur, darüber aber nicht. Diese schwarze Grenzschicht, so Firestone, markiert genau den Einschlag des Kometen und besteht aus Russ und Asche der dabei ausgelösten Waldbrände. In und der Nähe dieser Schicht findet man außerdem magnetische Körnchen und erhöhte Werte des chemischen Elements Iridium, beides Hinweise auf Material, dass außerhalb der Erde entstanden ist. Was man auch finden kann, sind glasartige Kügelchen aus Kohlenstoff, ebenfalls ein Hinweis auf einen Einschlag, dessen gewaltige Kräfte das Material entsprechend verformt haben. Gleiches gilt für Nanodiamanten, also winzige Kristalle aus Kohlenstoff, die so auch nur beim Einschlag eines Asteroiden oder Kometen entstehen können. Firestone hatte noch mehr Belege und wenn man die Sache so betrachtet, dann scheint alles klar: Da war wirklich ein Impakt vor circa 13.000 Jahren, der für das Ende der Clovis-Menschen und die jüngere Dryaszeit verantwortlich war.

Aber so betrachtet man Sachen in der Wissenschaft nicht. Eine Hypothese ist gut; Belege dafür sind besser und am besten ist es, wenn andere Leute die Belege prüfen und bestätigen. Nur dass das hier nicht passiert ist. Denn selbstverständlich wurde geprüft, was Firestone da behauptet hat. Und es war übrigens nicht Firestone allein; er hatte noch diverse Kolleginnen und Kollegen die mit ihm gearbeitet haben. Die Ergebnisse der Prüfung waren aber eher schlecht für die Hypothese. Die angeblich so eindeutige schwarze Grenzschicht hat sich bei genauerer Untersuchung nicht als einheitliche geologische Schicht herausgestellt, sondern eher als Sammelsurium an Dingen. Die meisten waren einfach ganz normale Erdschichten, die durch diverese ebenso normale Vorgänge dunkel gefärbt waren. Verwitterung, biologische Abläufe, und so weiter können Sand und Erde dunkel färben; dafür braucht es nicht unbedingt Waldbrände. Tatsächlich fand man in vielen der Schichten bei genauerer Analyse auch keine Spuren von Russ, Asche oder Kohle. Auch was die magnetischen Körnchen angeht, scheint Firestone die Daten zu sehr in eine Richtung interpretiert zu haben. Man kann so etwas zwar tatsächlich als Folge eines Einschlags finden. Aber es gibt so ein Material auch ganz natürlich; wenn man nicht sehr viel davon sehr konzentriert in einer bestimmten Schicht entdeckt, bedeutet das gar nichts. Und diese große Konzentration konnte in späteren Untersuchungen der entsprechenden Schichten nicht nachgewiesen werden. Das selbe gilt für die Kohlenstoffkügelchen und ebenso für die Nanodiamanten. Hier scheint Firestone die Daten falsch interpretiert zu haben; der Nachweis der Existenz der Nanodiamanten ist schwach bis schlecht; es scheint sich viel mehr um normale, andere kristalline Formen von Kohlenstoff zu handeln, die man auch ohne Einschlag überall in den Sedimentschichten finden kann. Es gab noch jede Menge andere methodische Probleme mit Firestones Hypothese; bei der Datierung der Schichten zum Beispiel und vor allem bei der Interpretation der Daten.

Es braucht auch nicht unbedingt einen Einschlag, um das Ende der Clovis-Kultur zu erklären. Man braucht keinen Einschlag, um zu erklären, warum es mit der Jüngeren Dryaszeit noch einmal so kalt wurde. Mit der Erwärmung gegen Ende der letzten Kaltzeit sind die Gletscher und Eisschilde zurückgegangen; es ist jede Menge Frischwasser ins Meer geflossen und der Agassizsee ist ausgebrochen, was aber auch passieren kann, ohne dass ein Asteroid einschlägt. Die Erde ist durch die Veränderung in den Ozeanströmungen kälter geworden und das hat Auswirkungen auf die Megfauna (und natürlich auch darüber hinaus) gehabt. Das Aussterben der Megafauna, bei dem auch die Jagd und der Kontakt mit Menschen eine Rolle gespielt hat, hat sich dann selbstverständlich auch auf die Clovis-Kultur ausgewirkt. Die Lebensweise der Menschen hat sich dadurch zwangsläufig geändert. Aber sie sind nicht ausgestorben. Es gibt keine Hinweise auf einen dramatischen Rückgang der damaligen Bevölkerung und dass die Clovis-Kultur verschwunden ist, ist viel mehr das Ergebnis eines normalen kulturellen Wandels.

Asteroideneinschläge sind, erdgeschichtlich gesehen, völlig normal. Und sie können dramatische Folgen haben. Aber man sollte diese Katastrophen nicht unnötig ins Spiel bringen, um Dinge zu erklären, die auch anders erklärt werden können oder, wie in diesem Fall, gar keine andere Erklärung benötigen.

Sternengeschichten Spezial März 2026

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

Das ist die zweite Spezialfolge, in der ich über aktuelle Themen spreche, Fragen beantworte und ein bisschen "Backstage" vom Podcast erzähle. Diesmal gibt es ein kleines Update zur Artemis-Mondmission und dann habe ich ein paar coole Forschungsthemen aus der Asteroidenforschung zusammengesucht. Es geht um den Nachweis von Nukleinbasen auf Ryugu, um die Bahnänderung von Didymos und Doppelasteroiden. Danach habe ich die Fragen zur Unterstützung des Podcasts beantwortet und die Frage von Bertram, der wissen wollte, ob das Webb-Teleskop wirklich "unmögliche" Asteroiden beobachtet hat.

Mehr zu den Asteroiden findet ihr hier, hier und hier.

Die Folge von "Das Universum" über die Galaxien ist diese hier.

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".

Termine der Sciencebusters gibt es hier und die von "Das Universum" sind hier.

Wer den Podcast finanziell unterstützen möchte, kann das hier tun: Mit PayPal (https://www.paypal.me/florianfreistetter)), Patreon (https://www.patreon.com/sternengeschichten)) oder Steady (https://steadyhq.com/sternengeschichten))

Feedback zu den Spezialfolgen bitte unter [email protected]

Sternengeschichten Folge 695: Red Nuggets - Galaktische Fossilien aus dem frühen Universum

Die Astronomie ist in der einzigartigen Situation, dass sie nicht nur direkt beobachten kann, was da draußen im Universum passiert, sondern auch sehen kann, was weit in der Vergangenheit passiert ist. Wir können das frühe Universum beobachten und so verstehen, wie es sich zu dem Kosmos entwickelt hat, in dem wir heute leben. Aber manchmal können wir auch heute noch Überbleibsel aus diesem frühen Universum finden; Objekte, die die Jahrmilliarden quasi unverändert überdauert haben. Die "Red Nuggets" sind ein Beispiel dafür. Das erste Mal gesehen hat man sie in der Vergangenheit. Oder besser gesagt: Das erste mal gesehen hat man sie im "Hubble Ultra Deep Field". Von diesem Projekt habe ich schon in Folge 194 der Sternengeschichten ausführlich erzählt. Das Hubble-Weltraumteleskop hat in den Jahren 2003 und 2004 einen kleinen Bereich des Himmels extrem lange und genau beobachtet und dabei unzählige Galaxien sichtbar gemacht, deren Licht Milliarden Jahre bis zu uns gebraucht hat. Oder anders gesagt: Es hat uns einen Blick in das frühe Universum erlaubt und seitdem sind diese Daten immer wieder neu untersucht worden. Zum Beispiel vom französischen Astronom Emanuele Daddi und seinem Team im Jahr 2005. Sie haben dabei sieben ganz besondere Galaxien entdeckt. Sie waren sehr massereich, sie waren circa eine Millarde Jahre alt, sie waren sehr kompakt und quasi tot. Was bedeutet das und warum war das eine überraschende Entdeckung? Gehen wir die Dinge der Reihe nach durch.

Massereich bedeutet, dass die Galaxien ungefähr so viel Masse haben wie die Milchstraße heute oder sogar noch bis zu zehnmal mehr. Gleichzeitig sind sie aber sehr viel kleiner, teilweise nur ein Hundertstel so groß wie die Milchstraße - deswegen sind sie "kompakt". Und "tot" sind sie, weil die Sterne dort alle sehr alt sind und dort auch offensichtlich keine neuen Sterne mehr entstehen. Und wir dürfen nicht vergessen: Das, was Daddi und sein Team auf diesen Bildern gesehen haben, sind Galaxien aus dem frühen Universum. Wir sehen sie zu einem Zeitpunkt, der ungefähr drei bis vier Milliarden Jahre nach dem Urknall liegt, also von uns aus gesehen circa 10 Milliarden Jahre in der Vergangenheit. Das bedeutet: Diese kleinen, kompakten Galaxien müssen sehr schnell entstanden sein; sie müssen sehr schnell sehr viel Masse angesammelt haben und dann muss - ebenfalls sehr schnell - etwas passiert sein, dass dazu geführt hat, dass dort keine neuen Sterne mehr entstanden sind.

Aus damaliger Sicht war diese Entdeckung überraschend. Die Galaxien müssen sich früher und schneller entwickelt haben, als man gedacht hat. Die Sternentstehung in den ersten Galaxien muss sehr effizient gelaufen sein, sonst hätte es nicht so schnell nach dem Urknall so massereiche Galaxien mit so vielen Sternen geben können. Gleichzeitig muss die Entstehung der Sterne dann auch schnell wieder abgewürgt worden sein, denn ansonsten würden wir in diesen frühen Galaxien nicht nur alte Sterne sehen, sondern auch junge. Und, auch das habe ich schon oft in den Sternengeschichten erzählt: Alte Sterne leuchten eher rötlich; junge Sterne dagegen sind tendenziell heiß und leuchten blau. Die kleinen, kompakten, massereichen Galaxien mit ihrem rötlichen Licht hat man deswegen "red nuggets" genannt, aber nicht nur deswegen, wie wir später noch sehen werden.

Die roten Nuggets waren also eine Überraschung, weil sie uns gezeigt haben, dass Galaxien schneller entstehen können und die Sternentstehung schneller beendet sein kann, als man damals dachte. Mittlerweile wissen wir besser Bescheid, was da abläuft. Ich werde jetzt nicht die gesamte Geschichte der Galaxienentstehung erklären; das würde zu weit führen. Aber es geht alles los mit riesigen Gaswolken. In und aus diesen Wolken entstehen Sterne und am Ende haben wir eine große Ansammlung von Sternen, eine Galaxie. Das ist, wie gesagt, extrem verkürzt, aber wichtig für diese Folge ist die Tatsache, dass die Sternentstehung in Galaxien mit großer Masse schneller aufhört als in denen mit kleinere Masse. Das klingt zuerst einmal seltsam, ist aber plausibel, wenn man ein wenig genauer darüber nachdenkt. Wenn eine Galaxie eine große Gesamtmasse hat, kann sie mit ihrer Gravitationskraft auch früher und schneller sehr große Mengen an Gas in ihr Zentrum ziehen. Sie entwickeln einen kompakten Kern und in diesem Kern können in kurzer Zeit sehr viele Sterne entstehen. Je dichter das Gas ist, desto leichter kann es in sich zusammenfallen und das ist ja genau das, was Gas tun muss, damit daraus ein Stern entsteht. Was aber passiert, wenn wir da auf einmal einen ganzen Haufen junger, heißer, frisch entstandender Sterne haben? Junge Sterne sind sehr aktiv, das heißt sie haben starke Sternwinde. Oder anders gesagt: Sie schleudern jede Menge Material aus ihren äußeren Atmosphärenschichten durch die Gegend. Dieses Material kann das restliche Gas quasi davon pusten. Das selbe passiert, wenn die Sterne am Ende ihres Lebens in einer Supernova explodieren. Und, auch das habe ich schon oft erzählt, je massereicher ein Stern ist, desto schneller entwickelt er sich zu einer Supernova. Wenn wir also sehr viele Sterne auf einmal haben und viele davon auch noch massereich sind, dann führt das dazu, dass das restliche Gas einer Galaxie davon gepustet wird und keine neuen Sterne mehr entstehen können. Gleichzeitig befinden sich in den Zentren der Galaxien ja auch die supermassereichen schwarzen Löcher. Die können mit ihrer Anziehungskraft ebenfalls Material beschleunigen und wild durch die Gegend schleudern, also ihren eigenen "Wind" produzieren, der das Gas einer Galaxie davon bläst. Und auch das geht um so besser, je massereicher eine Galaxie ist, denn je dichter das Material in ihrer Zentralregion ist, desto mehr davon kann sich in die Nähe des schwarzen Lochs bewegen. Ein Teil davon wird hinein fallen und das schwarze Loch anwachsen lassen. Und ein Teil wird davon geschleudert. Und selbst wenn das Gas einer Galaxien nicht komplett davon geblasen wird, wird es von der Strahlung der jungen Sterne und der Strahlung, die in der Umgebung eines schwarzen Lochs freigesetzt wird, aufgeheizt. Heißes Gas bewegt sich schneller und kann nicht so gut kollabieren wie kühleres Material. Kurz gesagt: In massereichen Galaxien laufen die Prozesse, die die Entstehung neuer Sterne verhindern sehr viel effizienter ab.

In den red nugget Galaxien ist genau das passiert; sie sind schnell entstanden, mit sehr viel Masse, haben schnell jede Menge Sterne entwickelt und ein massereiches schwarzes Loch und dadurch die weitere Sternentstehung zum Erliegen gebracht. Das heißt aber nicht, dass das immer so bleiben muss. Wenn sich die red nuggets nicht mehr verändern würden, wo kommen dann die ganzen frischen Sterne her, die wir in den Galaxien heute beobachten? Die roten Nuggets sind nur der erste Schritt auf dem Weg zu einer "modernen" Galaxie. Wenn zwei red nuggets miteinander oder mit anderen Galaxien verschmelzen, dann können die gravitativen Wechselwirkungen dafür sorgen, dass wieder frisches Gas nachgeliefert wird; die gravitative Wechselwirkung bei so einer Kollision kann dann das Gas dann wieder kollabieren lassen, und so weiter. Und solche galaktischen Zusammenstöße kommen nicht nur einmal vor, sondern immer wieder. Es bilden sich riesige Ansammlungen von Sternen, die wir heute als "elliptische Galaxien" bezeichnen. Oder anders gesagt: Die red nuggets sind die Vorläufer der riesigen elliptischen Galaxien, die wir heute beobachten. Die Arbeit von Daddi und seinen Kollegen hat außerdem auch gezeigt, dass sie damals ziemlich häufig waren; sie sind also keine exotischen Einzelfälle sondern ein relevanter Teil der damaligen Galaxienpopulation.

Aber natürlich hat man sich auch gefragt, ob die red nuggets wirklich nur ein Phänomen des frühen Universums sind. Man hat im lokalen Universum nach ihnen gesucht, also unter den Galaxien, die mehr oder weniger "jetzt" existieren und von denen aus das Licht bis zu uns nur ein paar hundert Millionen Jahre unterwegs war. Lange Zeit war diese Suche erfolglos, aber 2013 hat die Astronomin Ivana Damjanov mit ihrem Team neun Stück davon gefunden, die sich in mittlerer Entfernung befinden. Das bedeutet: Es sind keine Galaxien, die wir so sehen, wie sie "jetzt" sind; ihr Licht hat immer noch ein paar Milliarden Jahre bis zu uns gebraucht. Aber Damjanov hat immerhin bestätigt, dass die red nuggets sehr viel länger existiert haben als nur im frühen Universum. Und noch ein paar Jahre später haben wir dann auch red nuggets gefunden, deren Licht wirklich nur ein paar hundert Millionen Jahren bis zu uns braucht.

Das macht die roten Nuggets zu einem Studienobjekt, das für die Astronomie so wertvoll ist, wie ein Nugget aus Gold. Wir können in der Gegenwart, im lokalen Universum, Objekte beobachten, die immer noch so sind, wie sie vor Milliarden von Jahren waren. Wir sehen heute noch das, was damals der Ausgangspunkt für die Entstehung von Galaxien war. Die red nuggets sind mehr als nur tote Fossilien. Sie haben die Jahrmilliarden ungestört überdauert und können uns heute dabei helfen, zu verstehen, wie damals alles angefangen hat.