Sternengeschichten Folge 693: Das ekpyrotische Universum

Wie hat alles angefangen? Das ist eine große Frage; vielleicht sogar die größte Frage, die wir uns als Menschen stellen können. Seit es uns Menschen gibt, haben wir nach einer Antwort gesucht. Die Religionen der Welt haben versucht, den Anfang von Allem zu erklären, wenn auch ohne wissenschaftlich akzeptable Belege für ihre Vorstellungen zu haben. Die hat dafür aber die Kosmologie, die sich mittlerweile auch schon seit einiger Zeit damit beschäftigt. Wir haben eine recht gute Idee, wie sich die Dinge entwickelt haben; wie das Universum vor knapp 14 Milliarden Jahren aus einem Zustand extremer Dichte zu dem Kosmos geworden ist, den wir heute beobachten und wir können die meisten dieser Ideen durch Beobachtungsdaten belegen. Was wir aber nicht wissen, ist das, was davor war. Wenn wir akzeptieren, dass das Universum vor 14 Milliarden Jahren durch das entstanden ist, was wir als "Urknall" bezeichnen, dann bleibt natürlich immer noch die Frage übrig: Was ist davor passiert und hat den Urknall verursacht?

Eine mögliche Antwort darauf haben vier Astrophysiker im Jahr 2002 gegeben. Die Amerikaner Paul Steinhardt, Burt Ovrut, Justin Khoury und ihr südafrikanischer Kollege Neil Turok haben ein kosmologisches Modell vorgestellt, dass sie das "Ekpyrotische Universum" genannt haben. Dieser etwas komplizierte Begriff kommt vom altgriechischen Wort ekpyrosis, was auf deutsch so viel wie "Verbrennung" bedeutet. In der Philosophie der Antike war damit aber nicht einfach nur irgendein Feuer gemeint, sondern einen "Weltenbrand", also der Untergang der Welt durch eine gigantische Feuerkatastrophe. Warum gerade das ein passender Begriff für eine Modell sein soll, das die Entstehung des Universums beschreibt, ist auf den ersten Blick vielleicht ein wenig unklar - aber Turok, Steinhardt & Co haben das Wort "ekpyrosis" mit Bedacht gewählt.

Es ist allerdings ein wenig schwierig, genau zu erklären, wie ihr Modell aussieht. Einerseits, weil es sich naturgemäß um eine mathematisch extrem komplexe Arbeit handelt und andererseits, weil es sich um ein Thema handelt, dass sich fast schon per Definition unserer Vorstellungskraft entzieht. Wir leben in einem dreidimensionalen Raum, aber die Raumzeit selbst, die - nach dem was wir bis jetzt wissen - die Gesamtheit des Universums ausmacht, ist vierdimensional. Raum und Zeit können nicht getrennt voneinander betrachtet werden, das wissen wir seit der Arbeit von Albert Einstein. Wir sind aber nicht in der Lage, uns etwas vierdimensionales vorzustellen und schon gar nicht können wir uns eine fünf-dimensionale Raumzeit vorstellen. Genau das wäre aber im Fall des ekpyrotischen Universums nötig. Es basiert auf der sogenannten "heterotischen M-Theorie" und ich werde jetzt sicherlich nicht erklären, was DAS genau ist. Das wissen genaugenommen nicht mal die Leute, die sich das ausgedacht haben… Es geht dabei um die Stringtheorie, also die Hypothese, dass die Grundbausteine von Allem winzigste Fäden, die "Strings" sind, die aber nur in einem Universum existieren können, das mehr als die üblichen drei Raumdimensionen hat. Diese Stringtheorie kann man in Form der M-Theorie erweitern, so dass sie nicht nur die eindimensionalen Strings beschreibt, sondern auch höherdimensionalen Branen. Und das Wort "Brane" ist von "Membran" abgeleitet. Eine Membran ist in unserem Alltagsverständnis eine dünne Fläche, die schwingen kann, so wie zum Beispiel das Trommelfell in unseren Ohren. In der M-Theorie ist eine Membran einfach nur ein abstraktes, zweidimensionales schwingendes Ding; es gibt aber auch dreidimensionale Membrane, vierdimensionalen Membrane, und so weiter und damit das nicht so enorm kompliziert wird, nennt man die alle einfach "Branen" und setzt eine Zahl davor für die Dimension. Unser normaler Raum wäre also eine 3-Brane. Für das ekpyrotische Universum brauchen wir drei davon und außerdem noch eine extra Dimension.

Ich probiere mal, das so einfach wie möglich zu erklären. Gehen wir davon aus, es existieren 4 Raumdimensionen und eine Zeitdimension, also eine fünfdimensionalen Raumzeit. In dieser 5D-Welt gibt es zwei sehr, sehr große 3-Branes, die quasi den Rand der 5D-Welt darstellen. Wie gesagt, man kann sich das nicht vorstellen, aber mathematisch zumindest beschreiben. Ein Würfel zum Beispiel ist ein dreidimensionales Objekt; der Rand des Würfels ist aber eine zweidimensionale Fläche - der Rand muss immer eine Dimension weniger haben als das, was er begrenzt. Unsere 5D-Welt hat vier räumliche Dimensionen (die Zeit ignorieren wir jetzt einfach); ihre Rand muss also dreidimensional sein. Das was wir normalerweise als "unser Universum" bezeichnen ist in diesem Modell nichts anderes als eine dieser beiden 3-Branes. Auf der "anderen" Seite gibt es dann aber noch die andere 3-Brane, quasi ein Paralleluniversum, von dem wir aber nichts mitkriegen. Wenn man will, kann man sich das wie zwei Blatt Papier vorstellen, die übereinander liegen, aber mit einem kleinem Zwischenraum. Das eine Blatt ist unser Universum, das andere ist die Parallelwelt und dazwischen ist "zusätzlicher" Raum. Der Raum zwischen den Papierblättern ist dreidimensional und das Blatt selbst hat aber nur zwei Dimensionen. Genau so sind unser Universum und die Parallelwelt dreidimensional und das, was dazwischen liegt, hat eine Dimension mehr, also vier Raumdimensionen plus eine für die Zeit. Diesen 5D-Raum zwischen den beiden Universen auf den 3-Branes nennt man "Bulk". Von unserer 3-Brane aus können wir nicht in den Bulk kommen; auch nicht zu der anderen 3-Brane auf der anderen Seite. Es kann eigentlich nichts so eine 3-Brane verlassen; mit Ausnahme der Gravitationskraft. Die kann sich in diesem Modell durch den gesamten Bulk ausbreiten. Und jetzt kommt der wichtige Punkt: Im Bulk gibt es mindestens noch eine weitere 3-Brane, die aber jetzt keine Randbrane ist. Unser Universum und das auf der anderen Seite sind quasi fix; wir sind ja der Rand. Aber die zusätzliche Brane im Bulk kann sich bewegen und das ist der Punkt, um den es geht. Das ist auch der Punkt, an dem es wirklich heftig wird, was die Mathematik angeht. Ich müsste jetzt von Dingen erzählen wie der Bogomolny-Prasad-Sommerfield-Grenze, den Yang-Mills-Higgs-Gleichungen aus der nichtlinearen Differentialgeometrie, von Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten, Eichtheorien, und so weiter. Aber das mache ich natürlich jetzt nicht.

So anschaulich wie es in diesem Fall geht, können wir uns den Anfangszustand im Modell des ekyprotischen Universum so vorstellen: Das ganze 5D-Dingens ist kalt und leer. Die beiden Randbranen sind parallel zueinander ausgerichtet; alles ist so symmetrisch wie möglich. Da ist quasi keine Energie irgendwo drin, es gibt keine Materie und keine Strahlung. Aber die Branen wechselwirken dennoch miteinander und zu erklären, wie sie das genau tun, würde den Rahmen dieser Podcastfolge definitiv sprengen. Sagen wir einfach, sie ziehen einander an, auch wenn das eine viel zu stark vereinfachte Erklärung ist. Auf jeden Fall beginnt nun die Bulk-Brane, also das Ding, das sich frei durch die 5D-Welt bewegen kann, sich zu bewegen. Sehr langsam. Also wirklich langsam. Es würde keinen Sinn machen, hier eine Geschwindigkeit anzugeben, also lassen wir es bei "sehr, sehr langsam". Aber irgendwann kommt das, worum es eigentlich geht: Die Bulk-Brane kollidiert mit unserer Rand-Brane. Und man kann sich eh nichts von dem vorstellen, was ich die ganze Zeit erzähle - aber es ist extrem schade, dass wir uns das nicht vorstellen können. Da kollidieren quasi zwei komplette Universen! Und auch wenn die komplett leer sind, hat es doch ordentlich Wumms, wenn die Bewegungsenergie zweier solcher Branen bei einem Zusammenstoß plötzlich freigesetzt wird. Die Energie landet in unserer Brane; von einem Moment auf den anderen ist extrem heiß; die Energie wandelt sich in Materie um und ab da läuft - im Prinzip - alles so weiter, wie wir es auch bisher mit der Urknalltheorie beschreiben. Nur dass jetzt der Urknall nicht der Anfang von allem ist, sondern einfach "nur" das, was in einem 5D-Universum passiert, wenn zwei Branen miteinander zusammenstoßen. Und jetzt versteht man auch, wieso das Wort "ekpyrosis" durchaus passend ist. Was kann es für eine größere Katastrophe geben, als die Kollision zweier Universen? Der "Weltenbrand" der dabei ausgelöst wird, ist aber in diesem Fall gleichzeitig der Beginn unserer eigenen Welt.

Das ist, vorsichtig gesagt, eine wilde Theorie. Aber sie könnte einige Sachen erklären, die in der Kosmologie erklärt werden müssen. Zum Beispiel, warum das Universum so homogen ist. Auch darüber habe ich in früheren Folgen schon gesprochen: Auf ganz großen Maßstäben betrachtet ist die Temperatur im Universum überall quasi gleich und erscheint die Materie im Universum sehr gleichmäßig verteilt zu sein. Nur dass das eigentlich nicht so sein sollte. Denn Licht - und alles andere auch - braucht Zeit, um sich von einem Ort zum anderen zu bewegen. Weit voneinander entfernte Regionen brauchen also sehr viel Zeit um sich quasi "absprechen" und angleichen zu können. Wenn da jetzt zum Beispiel ein sehr heißer Bereich im Universum ist und anderswo ein sehr kalter, dann muss die Wärme von einem Ort zum anderen gelangen, bis sich alles ausgeglichen hat und das dauert. Es dauert vor allem länger, als das Universum alt ist. Es hilft auch nichts, dass das Universum expandiert und früher kleiner war. Ich will nicht zu sehr ins Detail gehen, weil das eigentlich ein ganz anderes Thema ist, aber wir sehen das selbe Problem auch, wenn wir die kosmische Hintergrundstrahlung beobachten, also die Strahlung, die aus einer Zeit knapp 400.000 Jahre nach dem Urknall stammt. Sie ist zu homogen; es gab auch damals nicht genug Zeit, so dass sich alles angleichen hätte können. In unserem aktuellen Urknallmodell haben wir als Lösung die Phase der Inflation vorgeschlagen. Vereinfacht gesagt: Als das Universum wirklich klein war, hat sich alles ausreichend gut vermischen und angleichen können. Dann aber gab es eine sehr kurz Phase, in der sich das Universum absurd weit ausgedehnt hat; es ist quasi schlagartig unvorstellbar viel größer geworden und danach hat erst die normale Expansion eingesetzt. Diese Inflationsphase hat das gut durchmischte frühe Universum so enorm aufgeblasen, dass es heute für uns so aussieht, als hätten die weit voneinander entfernten Regionen keinen Kontakt miteinander haben können.

Das ekpyrotische Universum löst dieses sogenannte "Horizontproblem" einfach dadurch, dass hier quasi beliebig viel Zeit zur Verfügung steht. Und wenn zwei Branen kollidieren, dann ist das mehr oder weniger ein gleichzeitiges Ereignis, das im ganzen Universum stattfindet und damit startet alles mit den selben Bedingungen. Wie gesagt, das ist eine enorm vereinfachte Darstellung, aber mit dem ekpyrotischen Universum kann man nicht nur dieses Horizontproblem lösen, sondern auch noch ein paar andere kosmologische Probleme. Und wir haben als Zusatz eine Antwort auf die Frage, was vor dem Urknall war.

Aber leider ist es halt dann doch nicht so einfach. Abgesehen davon, dass es keinen Beleg dafür gibt, dass wir eine 3-Brane am Rand eines 5D-Bulk sind, hat man im Lauf der Zeit noch andere Probleme mit dem ekpyrotischen Universum gefunden. Nicht alles, was man sich damals ausgedacht hat, hat bei genauerer Betrachtung so gut funktioniert, wie man dachte. Natürlich hat man die Fehler korrigiert; hat neue Versionen entwickelt; man kann die Grundidee des Ekpyrotischen Universums mittlerweile sogar ohne den Rückgriff auf die Stringtheorie und die Branen beschreiben. Aber eine richtig überzeugende Alternative zum Urknallmodell ist daraus leider nicht geworden. Es gibt wenig Möglichkeiten, durch Beobachtungen zu überprüfen, ob das ekpyrotische Universum die richtige Idee ist. Aber immerhin gibt es eine Möglichkeit, es zu widerlegen. Wenn wir irgendwann mal primordiale Gravitationswellen messen sollten, also quasi das Wackeln der Raumzeit selbst, das durch die Inflationsphase nach dem Urknall ausgelöst worden ist (oder eben durch die Kollision der Branen), dann können wir - je nach Stärke dieser Wellen unterscheiden, ob wir in einem ekpyrotischen Universum leben oder nicht.

Und werden dann vermutlich immer noch unzufrieden sein. Denn selbst wenn wir die Frage "Was war vor dem Urknall?" mit "Eine Kollision zwischen zwei Branen" beantworten können, stellt sich ja gleich die nächste Frage, nämlich: "Was war vor der Kollision der Branen?". Neil Turok und Paul Steinhardt haben das in einer modifzierten Version des Modells probiert zu beantworten, nämlich mit "Noch eine Kollision!". In ihrem "zyklischen Universum" kollidieren die Branen quasi regelmäßig. Sie prallen voneinander ab, nähern sich wieder für eine neue Kollision, entfernen sich, und so weiter. Aber auch da bleibt die Frage: Wo kommt dieser ganze 5D-Bulk mit seinen Branen eigentlich her?

Am Ende muss die Frage nach dem Anfang vermutlich immer offen bleiben. Egal was wir uns am Beginn der Existenz von allem vorstellen: Wir werden immer fragen, was denn DAVOR war. Egal ob wir alles mit einem Urknall, einer Kollision von Branen, irgendwas anderem oder sogar einem Gott beginnen lassen: Auch das muss alles einen Ursprung haben. Die Alternative zu einem Anfang ist die Ewigkeit und die ist für uns genau so unvorstellbar und unbefriedigend. Ein Kosmos; ein Gott, der immer schon existiert hat ist genau so wenig eine Antwort wie ein Universum ohne Anfang oder einem Beginn, vor dem Nichts war. Egal wie man es formuliert oder zu denken versucht: Es scheint unmöglich, eine zufriedenstellende Antwort zu finden. Also kann ich diese Folge auch einfach mit dem beenden, was der griechische Philosoph Heraklit vor fast 2500 Jahren gesagt hat: "Diese Welt, dieselbe von allem, hat weder ein Gott noch ein Mensch geschaffen, sondern sie war immer, ist immer und wird sein ewig lebendes Feuer, sich entzündend nach Maßen und erlöschend nach Maßen."

Sternengeschichten Folge 692: Der blaue Drache des Ostens und Chinas Sterne

In dieser Folge der Sternengeschichten geht es um die chinesische Astronomie. Oder besser gesagt: Es geht um einen ganz bestimmten Aspekt der Astronomie, die früher in China betrieben worden ist. Es ist genau so unmöglich, DIE chinesische Astronomie in einer Podcastfolge darzustellen, wie es unmöglich ist DIE Astronomie darzustellen. Und in der Gegenwart betreibt man in China dieselbe moderne Astronomie die auch im Rest der Welt betrieben wird. Es geht also in dieser Folge um die Art und Weise, wie man in China früher den Himmel betrachtet hat und vor allem darum, wie man dort Ordnung geschaffen hat. Hier bei uns, in Europa, hat man dafür die klassischen Sternbilder verwendet, die über Mesopotamien und die griechisch-arabische Antike zu uns gelangt sind. Darüber habe ich ja schon in einigen Folgen des Podcasts gesprochen; ich habe auch einige Folge speziell zu bestimmten Sternbildern gemacht, und so weiter.

Auch in China ist man schon vor über 2000 Jahren mit den astronomischen Vorstellungen aus Mesopotamien in Kontakt gekommen; der klassische Tierkreis, über den ich in Folge 684 ausführlich gesprochen habe und seine Orientierung an der scheinbaren Bewegung der Sonne über den Himmel, hat aber nicht so wirklich zu den Vorstellungen der Menschen in China gepasst. Dort hat man sich mehr am Lauf des Mondes orientiert. Der Tierkreis beschreibt ja die Regionen am Himmel, durch die sich die Sonne scheinbar im Laufe eines Jahres bewegt. In China war viel wichtiger, was der Mond im Laufe eines Monats macht und dementsprechend waren auch die Sterne wichtiger, die sich am Himmel dort befindet, wo sich der Mond entlang bewegt. Eine Runde um den Himmel absolviert der Mond in knapp 28 Tagen. Genauer gesagt: in 27,32 Tagen; das ist ein sogenannter "siderischer Monat", also die Zeitspanne die es braucht, bis der Mond von der Erde aus gesehen in Bezug auf die Sterne wieder dieselbe Position einnimmt. Passend dazu hat man die Region des Himmels, durch die sich der Mond in diesen fast 28 Tagen bewegt in 28 Bereiche eingeteilt, die "xiu" genannt werden, was man mit "Wohnsitz" übersetzen könnte. Und ich entschuldige mich an dieser Stelle gleich für den Rest des Podcasts für meine Aussprache der chinesischen Wörter, die mit Sicherheit nicht korrekt ist.

Das System der Einteilung des Himmels in China unterscheidet sich generell ziemlich stark von dem, das wir in Europa gewohnt sind. Es gibt keine klassischen Sternbilder; man ist eher an eine Adressangabe erinnert. Neben den 28 Wohnsitzen gibt es auch noch die drei Gebiete oder "Einfassungen", die den chinesischen Kaiserhof selbst am Himmel repräsentieren. Das erste davon ist das "Gebiet des Kaiserpalasts" oder die "Purpurne verbotene Einhegung". Im Zentrum davon steht der Polarstern, also der Himmelsnordpol, um den herum sich alles dreht - natürlich ein Symbol für den Kaiser selbst. Die Sterne um die Himmelsnordpolregion herum sind zu Asterismen zusammengefasst, also zu markanten Sterngruppen, die andere Aspekte des kaiserlichen Hofs symbolisieren. Es gibt die "linke Mauer", die "rechte Mauer", das "Gästehaus" und so weiter. Aber auch Sterne, die die Frauen und Konkubinen des Kaisers darstellen, die führenden Minister und Richter und andere Beamte am Kaiserhof. Die anderen beiden großen Gebiete sind das "Gebiet des höchsten Palastes" und das "Gebiet des himmlischen Marktes". Sie umfassen die Regionen die östlich und nördlich beziehungsweise westlich und südlich des Gebiets des Kaiserpalasts am Himmel zu finden sind. Das Gebiet des höchsten Palasts liegt zum Beispiel dort, wo wir die Sternbilder Löwe oder Jungfrau haben und der himmlische Markt ist in der Region unserer Sternbilder Herkules, Schlange und Schlangenträger. Auch die anderen beiden Gebiete sind entsprechend in weitere Asterismen unterteilt. Insgesamt wurden 328 individuelle Sterne in den drei Gebieten in den klassischen Katalogen Chinas erfasst.

Neben diesen drei Gebieten gibt es aber eben auch noch die 28 Wohnsitze, die alle einem "Symbol" zugeordnet sind. Die Region, durch die sich der Mond während eines Monats bewegt, hat man zuerst in vier Bereiche unterteilt, die als die "Vier Symbole" oder auch die "Vier Wundertiere" bezeichnet werden. Es gibt den "Blauen Drachen des Ostens", den "Roten Vogel des Südens", den "Weißen Tiger des Westens" und die "Schwarze Schildkröte des Nordens". Jedem dieser Wundertiere sind sieben Wohnsitze des Mondes zugeordnet, deren Bezeichnung eine aus unserer Sicht wilde Mischung aus profanen und poetischen Namen sind. Beim Blauen Drachen gibt es zum Beispiel Horn, Nacken, Wurzel, Haus, Herz, Schwanz und Kornschwinge. Und eine Kornschwinge, die bei uns auch "Worfel" genannt wird, ist übrigens ein flacher Korb, mit dem man beim Getreide die Spreu vom Korn trennen kann. Die 7 Mondstationen in der schwarzen Schildkröte des Nordens nennt man Schöpflöffel, Ochse, Mädchen, Leere, Hausdach, Feldlager und Klippe. Beim Weißen Tiger des Westens sind es Füße, Band, Magen, Haariger Kopf, Netz, Schildkrötenschnabel und Dreigestirn und die letzten 7 Wohnsitze im Roten Vogel des Südens heißen Quelle, Geister, Weide, Sterne, ausgebreitetes Netz und Streitwagen. Man könnte vermutlich einige Folgen allein nur über die Gründe dieser Namensgebung machen, aber wie ich zu Beginn gesagt habe: Es ist unmöglich, die ganze chinesische Astronomie in einer Folge zu behandeln. Jeder der 28 Wohnsitze hat außerdem einen "regierenden Stern". Der Stern, den wir "Spica" nennen oder "Alpha Virginis", der hellste Stern in unserem Sternbild der Jungfrau, ist der regierende Stern im Wohnsitz Horn im blauen Drachen des Ostens. Elektra, einer der Sterne in den Plejaden, ist der regierende Stern im Haarigen Kopf im Weißen Tiger des Westens.

Aber auch die anderen Sterne am Himmel haben ihren Platz. So wie die drei Gebiete weiter in diverse Asterismen unterteilt sind, gilt das auch für die 28 Wohnsitze. Der Ochse, ein Wohnsitz in der schwarzen Schildkröte des Nordens enthält zum Beispiel Hé Gǔ, die "Flusstrommel" und Tiānfú, den "himmlischen Trommelschlägel". Zum Asterismus der Flusstrommel gehören die Sterne Alshain und Altair und damit wird auch klar, um welchen Fluss es hier vermutlich geht. Altair ist der hellste Stern in unserem Sternbild Adler und durch das zieht sich die Milchstraße, der himmlische Fluss. Jeder Stern in so einem Asterismus hat eine Nummer, aus der sich dann auch sein chinesischer Name ergibt. Altair ist Nummer 2 in der Flusstrommel und der chinesische Name ist "Hégŭ Èr" oder "Zweiter Stern der Flusstrommel". Ein anderer Asterismus im Wohnsitz des Ochsen ist das "Webermädchen" und Stern Nummer eins dort ist der, den wir "Wega" nennen. Beide Sterne, Wega und Altair, spielen eine zentrale Rolle im Mythos des Kuhhirten und des Webermädchens, die verliebt ineinander aber durch den großen himmlischen Fluss getrennt sind. Ich habe in Folge 462 der Sternengeschichten mehr dazu erzählt. Die chinesische Bezeichnung der Sterne spiegelt diese Geschichten wieder und es gäbe noch jede Menge weitere Geschichten. Immerhin findet man in den 28 Wohnsitzen und 3 Gebieten insgesamt 283 Asterismen die zusammen 1634 individuelle Sterne enthalten.

Die Art und Weise, wie man in China die Sterne eingeteilt hat, ist eine aus unserer Sicht seltsame Mischung aus Mythologie und Systematik. Einerseits sind da die exakten Abbilder der politischen Struktur Chinas, mit den drei Gebieten und ihren Asterismen, die alle Details des Kaiserhofs abbilden. Darum herum finden wir die 28 Wohnsitze, die dann eher das Volk und dessen Leben darstellen. Was das angeht, war der Himmel in China ein Spiegelbild des Staates selbst. Im Zentrum steht der Kaiser, außen herum der Hofstaat und die Beamte und dann kommt der Rest des Volkes. Das hat sich auch in der chinesischen Astronomie insgesamt fortgesetzt: Wichtigste Aufgabe der Astronomie war es, die Harmonie am Himmel wiederzufinden und zu beschreiben, die der Kaiser auf der Erde repräsentiert. Und alles was diese Harmonie stören könnte, musste rechtzeitig und exakt vorhergesagt werden (also sowas wie Kometen, Sonnenfinsternisse, und so weiter). Der Himmel ist zwar auch in China voll mit Mythen und Geschichten, aber gleichzeitig zeigt sich in seiner Einteilung auch das Streben nach Ordnung viel deutlicher als bei uns. Wir haben erst in der frühen Neuzeit angefangen, wissenschaftliche Systematik in die Sternbilder zu bringen. Ich habe das schon vor langer Zeit in Folge 2 der Sternengeschichten erzählt: Im 16. Jahrhundert war der deutsche Astronom Johann Bayer einer der ersten, der das gemacht hat. Er hat die Sterne in einem Sternbild nach Helligkeit eingeteilt und der Reihe nach mit griechischen Buchstaben versehen. "Alpha Centauri" ist der hellste Stern im Sternbild des Zentauren, "Beta Leonis" der zweithellste im Sternbild Löwe, und so weiter. Die chinesischen Konstellationen haben dieses System von Anfang an eingebaut. Hier gibt es eine klare Struktur, mit den vier Wundertieren, den 28 Mondsitzen, den jeweiligen Asterismen darin und den wiederum darin geordneten Sternen. "Zweiter Stern der Flusstrommel" mag für unsere westlichen Ohren poetischer klingen als eine Bezeichnung wie etwa "Beta Leonis", es ist aber genau das selbe System.

Es gibt noch viel mehr über die chinesische Astronomie zu erzählen; ihre Entwicklung und Verbindungen zur Astronomie in Indien, in Korea oder Japan; über die Entdeckungen die dort gemacht wurden, und so weiter. Aber das wird in anderen Folgen der Sternengeschichten passieren müssen. Aber auch wenn diese Folge hier nur ein kurzer Überblick war, ist damit hoffentlich klar geworden, dass der Himmel über unseren Köpfen gleichzeitig einzigartig und vielfältig ist. Wir alle schauen in der Nacht zu den selben Sternen - aber jede Kultur hat ihren eigenen Blick und hat dort oben ihre eigenen Geschichten und Welten gesehen.

Sternengeschichten Folge 691: Der Chamäleon-Komplex und die dunkle Chemie

"Der Chamäleon-Komplex"! Das klingt wie der Titel eines Thrillers und Thriller, die solche Titel haben, sind meistens nicht besonders gut. In diesem Fall geht es aber nicht um Geheimagenten und wilde Schießereien, sondern natürlich um Astronomie. Der Chamäleon-Komplex ist eine mehrere hundert Lichtjahre durchmessende Region im Weltall, in der zwar auch jede Menge wilde Dinge passieren, die aber darüber hinaus auch aus wissenschaftlicher Sicht äußerst spannend sind.

Der Chamäleon-Komplex besteht aus drei großen Dunkelwolken und hat mit einem Chamäleon nur insofern etwas zu tun, als dass sich diese Dunkelwolken von uns aus gesehen in der Richtung des Nachthimmels befinden, in der sich auch das gleichnamige Sternbild befindet. Man kann die Wolken also nur von der Südhalbkugel der Erde aus beobachten, aber zum Glück gibt es dort ja auch jede Menge große Teleskope. Denn der Chamäleon-Komplex ist definitiv einen Blick wert! Dunkelwolken haben nichts mit den dunklen Wolken an unserem Himmel zu tun. Es sind riesige Strukturen aus Gas und diversen anderen interstellaren Molekülen und es sind vor allem die Strukturen aus denen und in denen neue Sterne entstehen. Solche Wolken gibt es überall zwischen den Sternen, aber die drei Wolken des Chamäleon-Komplex sind nur um die 600 Lichtjahre von uns entfernt. Es handelt sich also um eines der uns am nächsten gelegenen Sternentstehungsgebiete und das ist äußerst praktisch, weil wir dort im Detail erforschen können, wie Sterne und Planeten entstehen.

Die Chamäleon I Wolke ist circa 620 Lichtjahre von uns entfernt und in den dunklen Massen aus Gas und Staub sind schon circa 200 bis 300 Sterne entstanden. Man kann sie weiter in eine südliche und nördliche Wolke unerteilen, wobei die Sternentstehung in der südlichen Region vor circa 3 bis 4 Millionen Jahren begonnen hat und im Norden ein wenig später, vor 5 bis 6 Millionen Jahren. Oder anders gesagt: Die meisten Sterne dort sind erst ein paar Millionen Jahre alt, was für einen Stern quasi nichts ist. Wir können also direkt in die Kinderstube der gerade erst geborenen Sterne schauen. Und wir sehen dort jede Menge spektakuläre Objekte. Zum Beispiel IC 2631 - so lautet die Bezeichnung eines Reflexionsnebels innerhalb von Chamäleon I und ein Reflexionsnebel ist eine Struktur aus Gas, die leuchtet. Das macht das interstellare Gas natürlich nicht einfach von selbst. Es braucht dazu die Strahlung eines nahegelegenen Sterns, der das Gas zum Leuchten anregt. Der Stern ist in diesem Fall HD 97300 und gehört unter den Neugeborenen von Chamäleon I zu den Objekten mit der höchsten Masse. Obwohl: Eigentlich sollte man HD 97300 vielleicht noch gar nicht "Stern" nennen. Eigentlich handelt es sich um ein Herbig-Ae/Be-Objekt und diese Objekte sind eigentlich noch keine fertigen Sterne. Ich habe in den vergangenen Folgen der Sternengeschichten immer wieder über die verschiedenen Phasen der Sternentstehung gesprochen und möchte das hier nicht wiederholen. Aber ein normaler Stern ist auf jeden Fall ein Himmelskörper, in dem Wasserstoff zu Helium fusioniert wird und zwar stabil. Das bedeutet, dass es ein sogenanntes hydrostatisches Gleichgewicht gibt; in dem Fall ein Gleichgewicht zwischen der Gravitationskraft der gesamten Masse des Sterns, die ihn eigentlich unter seinem eigenen Gewicht kollabieren lassen will und andererseits der Kraft der durch die Kernfusion erzeugten Strahlung, die aus dem Zentrum des Sterns nach außen dringt und quasi in die entgegengesetze Richtung drückt. Bei Herbig-Ae/Be-Sternen ist dieses Gleichgewicht in dieser Form noch nicht existent. Hier hat die Wasserstofffusion noch nicht ihr volles Ausmaß erreicht; sie läuft noch nicht stabil und der Stern ist immer noch dabei, unter seiner eigenen Gravitationskraft zu kontrahieren. Aber auch wenn es sich bei HD 97300 noch nicht um einen fertigen, stabilen Stern handelt, produziert er dennoch jede Menge Strahlung und die bringt die Gasmassen in seiner Umgebung zum Leuchten.

Wir können im Chamäleon-Komplex aber nicht nur die Sterne auf ihrem Entwicklungsweg beobachten. Dort, wo sich neue Sterne bilden, entstehen natürlich auch Planeten. Das Material, dass die jungen Himmelskörper umgibt, formt Scheiben aus Gas und Staub um sie herum und darin können Planeten entstehen. Wir haben einige solcher protoplanetaren Scheiben beobachtet, zum Beispiel bei HD 97048, ein weiteres Herbig-Ae/Be-Objekt in Chamäleon I. Die weist allerdings ein paar Besonderheiten auf. Die Scheibe ist keine Scheibe mehr, sondern eher eine Ansammlung von konzentrischen Ringen. Das bedeutet, dass irgendetwas IN der Scheibe dafür sorgt, das Gas und Staub dort nicht mehr gleichmäßig verteilt sind, sondern sich anders angeordnet haben. Und dieses "irgendetwas" kann eigentlich nur ein Planet sein. Im Fall von HD 97048 muss es sich um einen Planeten handeln, der ungefähr die 2,5fache Masse des Jupiters hat.

Fast noch spannender ist das, was Yumiko Oasa und ihre Kollegen Motohide Tamura und Koji Sugitani 1999 entdeckt haben. Sie waren auf der Suche nach den Vorläufern von Sternen, also Objekten wie den Herbig-Ae/Be-Sternen; Himmelskörper, die auf dem Weg zu, aber noch keine richtigen Sterne sind. Eines aus ihrer Liste trägt heute die Bezeichnung OTS 44, nach den Anfangsbuchstaben der Nachnahmen Oasa, Tamura und Sugitani. Damals hat man es als braunen Zwerg identifiziert, also als einen Himmelskörper, der zwar ausreichend viel Masse hat, um in seinem Inneren das Wasserstoff-Isotop Deuterium fusionieren zu können - aber zu wenig Masse hat, um auch die normale Wasserstofffusion zu starten. Das bedeutet, dass solche Objekte zwar ein bisschen leuchten, aber nicht viel und nicht lange. Sie sind keine Planeten, aber auch keine echten Sterne. Für echte Wasserstofffusion braucht man circa das 75fache der Masse von Jupiter; die Deuteriumfusion eines braunen Zwergs startet aber schon, im Zentrum einer Kugel aus Gas mit der circa 13fachen Jupitermasse. Die Masse von OTS 44 lässt sich nicht exakt bestimmen und heute wissen wir, dass sie irgendwo zwischen 5 und 17 Jupitermassen liegt, mit einem wahrscheinlichsten Wert von 11,5 Jupitermassen. Das bedeutet, dass es sich zwar immer noch um einen braunen Zwerg handeln kann; das es aber wahrscheinlicher ist, dass es "nur" ein großer Gasplanet wie Jupiter ist. Und, auch das haben neuere Beobachtungen gezeigt, dieser Himmelskörper ist selbst von einer Scheibe aus Staub umgeben, die insgesamt eine Masse hat, die dem 10fachen der Erdmasse entspricht.

Wir wissen, dass Sterne entstehen, wenn interstellare Gaswolken kollabieren. Je nachdem wie das abläuft, können dabei Sterne mit viel Masse entstehen oder Sterne mit wenig Masse. Wir wissen auch, dass ab und zu Objekte entstehen, die zu wenig Masse haben, um ein echter Stern zu werden und als braune Zwerge enden. Aber, und das zeigt uns die Existenz von OTS 44, vielleicht können auch Objekte, die wir eigentlich als Planeten bezeichnen würde, so entstehen. Denn normalerweise gehen wir ja davon aus, dass Himmelskörper wie Saturn oder Jupiter, also die großen Gasriesen im Sonnensystem, aus der protoplanetaren Scheibe entstanden sind, die die junge Sonne umgeben hat. Das Gas und der Staub dort haben sich im Laufe der Zeit zusammengeklumpt und die Klumpen sind zu Planeten angewachsen. Oder etwas vereinfacht gesagt: Sterne entstehen, wenn große Gaswolken in sich zusammenfallen. Planeten entstehen, wenn kleine Teilchen aus Gas und Staub zu immer größeren Objekten anwachsen. Aber wenn OTS 44 tatsächlich weniger als 13 Jupitermassen hat; also kein brauner Zwerg ist, dann zeigt uns das, dass auch Planeten durch den Kollaps von Gaswolken entstehen können und nicht zwingend aus kleinen Strukturen wachsen müssen. Obwohl es fraglich ist, ob wir diese Objekte dann wirklich als "Planeten" bezeichnen sollen? Denn OTS 44 umkreist keinen Stern und hat sich nicht gebildet wie ein Planet es normalerweise tut, sondern wie es Sterne tun. Die Objekte, die in der Staubscheibe um OTS 44 vielleicht gerade entstehen - sie werden sich wie Planeten gebildet haben, die dann aber keinen Stern umkreisen sondern eben das, was auch immer OTS 44 ist.

Es ist mehr als klar, dass wir im Chamäleon-Komplex jede Menge darüber lernen können, wie Sterne und andere Himmelskörper sich bilden. Wir können quasi live bei der Geburt der Sterne und Planeten zusehen, aber nicht nur dabei. 2023 haben Forscherinnen und Forscher das damals gerade erst ins Weltall gestartete James-Webb-Weltraumteleskop genutzt, um sich das "Eis" in den dunklen Wolken des Chamäleon-Komplexes genauer anzusehen. Und mit "Eis" meint man in der Astronomie nicht nur gefrorenes Wasser, sondern alle Arten von gefrorenen Molekülen. Also Methan, Kohlendioxid, Ammoniak, und so weiter. Die chemischen Elemente, aus denen diese Moleküle bestehen, finden sich überall in den Dunkelwolken. Sie befinden sich dann natürlich auch in den protoplanetaren Scheiben, die die jungen Sterne umgeben und sie befinden sich am Ende in den Objekten, die in den Scheiben entstehen, also den Planeten. Die Frage ist, was auf diesem Weg mit ihnen passiert? Die Daten des James-Webb-Teleskops haben gezeigt, dass die chemischen Elemente schon in den Dunkelwolken selbst komplexere Moleküle bilden können. Dort, bei extrem niedrigen Temperaturen und ohne Licht der Sterne gibt es eine "dunkle Chemie", wie es die Forschenden genannt haben. Die ist aber nicht mysteriös oder böse; es geht darum, dass die kalten Staubteilchen der interstellaren Materie, die ebenfalls Teil der Dunkelwolken sind, gute Bedingungen bietet, dass auf ihnen Atome miteinander reagieren und komplexere Moleküle bilden können. Diese Eiskörner mit ihren Molekülen können anwachsen, wenn sie in die protoplanetaren Scheiben gelangen und am Ende auch Teil der daraus entstehenenden Planeten werden. Die dunkle Chemie in den riesigen Wolken der Sternentstehungsgebiete ist also die Grundlage für die chemische Ausstattung der Planeten und damit auch die Basis für die Entstehung von Leben. Auch die Sonne und die Erde sind vor Milliarden von Jahren in so einer Wolke entstanden. Was damals passiert ist, können wir heute nicht mehr beobachten, aber die Erforschung von anderen Wolken wie die des Chamäelon-Komplexes macht es möglich, dass wir trotzdem vielleicht irgendwann herausfinden können, wie das Leben auf der Erde entstanden ist.

Sternengeschichten Folge 690: Das Leben von Jürgen Stock, oder: Wie die Astronomie nach Chile gekommen ist

Gut ein Drittel der globalen astronomischen Kapazität befindet sich in Chile. Das war zumindest im Jahr 2020 so. Mit den Teleskopen, die dort seit damals gebaut und geplant wurden, wird dieser Anteil um 2030 herum auf über 50 Prozent gestiegen sein. Das Land in Südamerika ist ohne Zweifel das astronomische Zentrum der Welt; zumindest wenn es um die Teleskope und die beobachtende Astronomie geht. Aber warum eigentlich? Warum stehen all die großen Observatorien genau dort? Das hat viele Gründe, aber einer davon ist auf jeden Fall die Arbeit des deutschen Astronoms Jürgen Stock.

Er wurde am 8. Juli 1923 in Hamburg geboren. Dass er irgendwann eine astronomische Karriere einschlagen würde, war damals natürlich noch unklar, aber seine Verbindung zu Süd- und Mittelamerika began schon in seiner Kindheit. Stocks Vater hatte ein Importgeschäft und die ganze Familie, inklusive dem dreijährigen Jürgen ist deswegen 1925 nach Mexiko gezogen. Als sechsjähriger ist Jürgen Stock nach Deutschland zurück gekehrt, um dort in die Schule zu gehen. Dort hat er sich durchaus schon für Naturwissenschaft interessiert, aber nach dem Abitur wurde er direkt vom Militär eingezogen und musste das letzte Jahr des zweiten Weltkriegs an der Ostfront in Russland verbringen. Als das endlich vorbei war, ging er von dort zu Fuß zurück nach Hamburg, schrieb sich an der Universität ein und arbeitete nebenbei im Hafen als Hilfsarbeiter. Sein Astronomie-Studium hat Stock im Jahr 1951 abgeschlossen, mit einer Doktorarbeit über Photometrie von Sternhaufen, betreut von Otto Heckmann, der in dieser Geschichte später noch eine wichtige Rolle spielen wird.

Keine so große Rolle in dieser Geschichte wird übrigens Stocks eigentliche Forschungsarbeit spielen. Die hat er als Astronom natürlich gemacht; er hat sich mit Sternhaufen beschäftigt, mit hellen Sternen in den magellanschen Wolken, und so weiter. Aber das war nicht das, mit dem er die Welt der Astronomie so nachhaltig beeinflusst hat. Aber dass er das tun würde, hat Jürgen Stock damals selbst auch noch nicht gewusst. Im Nachkriegsdeutschland hat es kaum Stellen für einen jungen Astronom wie Stock gegeben, also er hat 1953 eine Position der Cleveland Astronomical Society in den USA angenommen. Die war allerdings nur für 2 Jahre befristet, nach denen er wieder zurück nach Hamburg ging. Sein Doktorvater, Otto Heckmann, hat ihn dann 1956 nach Südafrika geschickt, um dort als Direktor der Boyden-Sternwarte zu arbeiten. Die wurde schon 1889 von der Harvard Universität gegründet; ursprünglich in Peru, aber dann 1927 nach Südafrika verlegt, weil man dachte, dass das Wetter dort besser ist. So war es auch, aber in den 1950er Jahren gab es Probleme mit der Finanzierung. Ein paar europäische Länder, darunter Deutschland, sind eingesprungen und so ist Jürgen Stock nach Südafrika gekommen. Und ich erzähle das alles deswegen so ausführlich, weil es tatsächlich wichtig ist, wenn wir verstehen wollen, wie die Astronomie nach Chile gekommen ist.

Ungefähr zu dieser Zeit, im Januar 1954, haben sich Astronomen aus Belgien, Frankreich, West-Deutschland, den Niederlanden, Großbritannien und Schweden getroffen. Sie wollten ein gemeinsame, europäische Sternwarte gründen und zwar auf der Südhalbkugel der Erde. Damals haben sich die meisten Observatorien immer noch auf der nördlichen Hälfte der Erde befunden, wo es zwar viel zu sehen gibt. Aber sehr viel eben auch nicht. Das Zentrum der Milchstraße kann man zum Beispiel nur von der Südhalbkugel aus ordentlich beobachten; ebenso die beiden Satellitengalaxien der Milchtstraße, die magellanschen Wolken. Und so weiter: Im Wesentlichen der halbe Himmel war für die großen Sternwarten nicht zugänglich. Natürlich gab es auch früher schon Teleskope im Süden und die standen vor allem in Südafrika. Schon 1820 hat die Royal Astronomical Society eine Sternwarte am Kap der guten Hoffnung eingerichtet; damals ja noch Teil einer britischen Kolonie. In der Umgebung der großen Städte Südafrikas gab es in den 1950er Jahren auch diverse andere Sternwarten - unter anderem das Boyden-Observatorium in Bloemfontein, wo Stock 1956 seine Arbeit begonnen hat. Es ist also nahe gelegen, dass sich die europäischen Ländern zuerst in Südafrika auf die Suche nach einem guten Platz für ihre gemeinsame Südsternwarte gemacht haben.

Jetzt aber wieder zurück zu Stock: 1958 wurde eine Stelle in Cleveland frei und er ging wieder dorthin zurück. Dort war er vor allem mit Unterrichten beschäftigt. Jürgen Stock muss ein guter Lehrer gewesen sein, denn die Studierenden haben protestiert, als er 1959 aus Cleveland weggeschickt wurde. Nicht, weil er schlechte Arbeit gemacht hat - im Gegenteil. Das Yerkes-Observatorium der Universität Chicago ist damals zu ein wenig Geld gekommen und wollte ein neues Teleskop bauen; auch auf der Südhalbkugel aber nicht in Südafrika, sondern in Chile. Gerard Kuiper, der Direktor von Yerkes, wusste, dass es da in Cleveland einen wirklich sorgfältigen Astronom gibt, der sich gut mit Teleskopen und Sternwarten auskennt und vor allem auch gut damit auskennt, wie man Helligkeiten misst und astronomische Fotografien macht. Oder anders gesagt: Er wusste, das Jürgen Stock ideal geeignet ist, um einen passenden Platz für die neue Sternwarte in Chile zu finden. Also hat er ihn genau damit beauftragt und 1959 hat Stock sich auf den Weg nach Chile gemacht.

Dass Chile prinzipiell ein guter Platz für astronomische Beobachtungen sein könnte, vorher schon klar. Man braucht klar, trockende Luft, stabiles Wetter und kein störendes Licht. Und genau das hat man in Chile. An der Pazifikküste im Westen fließt der Humboldstrom, eine Meeresströmung mit kaltem Wasser aus der Antarktis. Kaltes Wasser verdunstet nicht so schnell, deswegen gibt es weniger Wasserdampf und damit weniger Regen. Östlich von Chile befinden sich der Amazonas, der eigentlich recht feucht ist und nicht umsonst als "Regenwald" bezeichnet wird. Aber zwischen Amazonas und Chile befinden sich die Anden. Diese 9000 Kilometer lange und bis zu fast 7000 Meter hohe Gebirgskette ist quasi eine riesige Mauer, die den Regen aus dem Osten abhält. Von Westen, also vom Pazifik, kommt wegen des kalten Humboldstroms sowieso schon weniger Regen und dann gibt es auch noch das Cordillera de la Costa, also ein Küstengebirge, dass zusätzlich Regen von Westen abhält. Anders gesagt: Chile liegt zu einem großen Teil zwischen zwei Gebirgsketten, die keine Feuchtigkeit durchlassen und deswegen existiert dort die Atacama-Wüste, die nicht nur enorm trocken ist, sondern auch hochgelegen ist und viele Berge hat. Dort oben ist die Luft dünn, trocken und klar und rundherum gibt es wenig, was störendes Licht produziert.

Jürgen Stock ist also nach Chile gegangen, ins Umland der Hauptstadt Santiago. Dort sollte er drei potentielle Standorte untersuchen. Was er auch getan und sofort festgestellt hat: So toll sind die nicht. Also ist er ein Stückchen nach Norden gegangen, in den Region um die Stadt Vicuña um dort zu testen. Dort hat Jürgen Stock dann im April 1960 den Cerro Tololo gesehen und war sofort begeistert. Ein Berg, über 2000 Meter hoch, fast isoliert in der Landschaft, mit einem flachen Gipfel und ohne störende Zivilisation rundherum. Das müsste super sein für die Astronomie, aber ob es auch wirklich super ist, muss man erst messen. Und das ist nicht so einfach, wie man denken würde. Da kann man nicht einfach kurz mal nachschauen gehen - sondern muss über viele Nächte hinweg genaue Beobachtungen anstellen; Wetterdaten sammeln, Fotografien der Sterne machen, und so weiter. Und das alles in einer Gegend, in der es keine Straßen gibt oder sonst irgendeine Art von sinnvoller Infrastruktur.

Also hat Stock sich Maulesel besorgt und hat sich auf den langen und mühsamen Weg zum Gipfel gemacht. Und war beeindruckt, oder, in seinen eigenen Worten: „Die erste Nacht war so beeindruckend: eine vollkommen klare Nacht, absolut ruhig, mit einer angenehmen Temperatur – besser hätte es nicht sein können. Und außerdem war es in alle Richtungen vollkommen dunkel.“

Aber eine einzige tolle Nacht reicht natürlich nicht. Stock hat noch mehr und längere Messungen gemacht; Ausflüge und Messungen auf den Bergen in der Umgebung, und so weiter. Dabei war er auch nicht alleine, sondern hat sich vor allem von der lokalen Bevölkerung Rat und Unterstützung geholt. Denn wer weiß besser Bescheid, wie man in der unwirtlichen Gegend vorwärts kommt, als die Menschen, die dort leben? Wer weiß besser, wie das Wetter sich langfristig verhält, als die, die schon immer damit zu tun haben? Auf jeden Fall hat sich der erste Eindruck schnell bestätigt. Der Cerro Tololo war perfekt für die Beobachtung des Nachthimmels und aus einem weitestgehend unbekannten Berg in der chilenischen Wüste ist heute ein Ort geworden, den alle in der Astronomie kennen. Die Universität Chicago war so beeindruckt von Stocks Bericht, dass sie ihre ursprünglichen Pläne verworfen und gleich ein viel größeres Observatorium geplant haben. 1963 begann der Bau des Cerro Tololo Inter-American Observatory und Jürgen Stock war der erste Direktor und damit auch für den Bau verantwortlich. Aber mittlerweile hat er sich ja auch gut in der Gegend ausgekannt…

In der ganzen Zeit hat Stock aber auch immer Kontakt zu seinem Doktorvater Otto Heckmann gehalten. Der war mittlerweile Direktor der ESO, des European Southern Observatory beziehungsweise der Europäischen Südsternwarte. So hat man das Projekt der europäischen Staaten, die eine Sternwarte in Südafrika bauen wollte, nun genannt und Heckmann war schon kurz davor, die entsprechenden Verträge abzuschließen. Aber einerseits war Südafrika mit seiner Apartheidspolitik kein so verlockender Ort mehr wie früher. Und andererseits war Heckmann sehr beeindruckt von den Berichten die Stock aus Chile geschickt hat. Und 1963 hat sich die ESO dann deswegen entschieden, ihre Sternwarte ebenfalls in Chile zu errichten. Man hat zuerst überlegt, ob man das auch auf dem Cerro Tololo tun sollte, ist dann aber mit den amerikanischen Sternwarten übereingekommen, sich einen anderen Berg zu suchen. Den hat man auch gefunden, und zwar den Cerro La Silla.

Die La-Silla-Sternwarte. Das Paranal-Observatorium. Das Extremly Large Telescope auf dem Cerro Armazones. Das Gemini-Observatorium auf dem Cerro Pachón. Das Las Campanas Observatorium. Und so weiter. Chile ist heute voll mit den weltbesten Teleskopen und das Zentrum der beobachtenden Astronomie. Jürgen Stock hat zwar keine revolutionäre Entdeckung durch seine Erforschung von Sternhaufen und Sternen gemacht. Aber er hat die Astronomie dennoch bis heute nachhaltig verändert. Seine persönliche Geschichte war aber damit noch lange nicht zu Ende. Wie so oft in größeren Organisationen kam es zu einem Streit; Stock und das Konsortium amerikanischer Sternwarten, das mittlerweile für das Cerro Tololo Inter-American Observatory verantwortlich war, haben sich verkracht und er ging an die Universidad de Chile in Santiago, um dort zu lehren. Mittlerweile war er auch amerikanischer Staatsbürger, was im September 1970 zu einem Problem wurde. Da wurde nämlich Salvador Allende zum chilenischen Präsidenten gewählt und hat verboten, dass Ausländer an chilenischen Universitäten arbeiten. Jürgen Stock ging also nach Mexiko um dort beim Aufbau von Sternwarten mitzuarbeiten, und 1971 bekam er eine Nachricht aus Venezuela. Auch dort wollte man eine große Sternwarte in den Anden bauen und Stock sollte den Bau und später das Observatorium leiten. Was er auch gemacht hat: 1973 wurde das Centro de Investigaciones de Astronomía in der Nähe von Mérida unter seiner Leitung eröffnet. Dort starb er auch am 19. April 2004. Er hat die Astronomie in Südamerika maßgeblich beeinflusst und zum Teil wortwörtlich mit aufgebaut. Und er hat dafür gesorgt, dass die weltbesten Teleskope heute unter den bestmöglichen Bedingungen in Chile arbeiten können. Jürgen Stock ist bei weitem nicht so bekannt, wie es Johannes Kepler, Galileo Galilei, Edwin Hubble und so weiter sind. Aber auf seine Art hat er die Astronomie mindestens genau stark beeinflusst.

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

Sternengeschichten Spezial! Diese Episode ist ein Versuch. Ich möchte ab jetzt monatlich eine längere Spezialfolge veröffentlichen, mit Hintergründen zum Podcast und meiner anderen Arbeit, mit aktuellen Themen aus der Astronomie und Raumfahrt und mit Feedback aus der Hörerschaft. Diese erste Spezialfolge ist noch ein wenig anders, weil ich noch kein Feedback habe, auf das ich eingehen kann. Und weil ich erst einmal das Konzept erklären möchte. Das heißt, in dieser ersten Folge geht es vor allem um die Hintergründe der "Sternengeschichten": Warum sind sie so wie sie sind und was macht die Spezialfolgen anders? Warum kann es in den "Sternengeschichten" keine Werbung geben und wie finanziert sich dieser Podcast (nicht). Aber ich hab mir auch ein aktuelles Thema ausgesucht, das ich kurz behandle, nämlich die Artemis-II-Mission, bei der Menschen erstmals seit 1972 wieder zum Mond fliegen sollen und deren Start nun von Februar auf März verschoben worden ist.

Mehr zu Artemis II und der Verschiebung des Starts findet man unter zum Beispiel hier oder hier.

STERNENGESCHICHTEN LIVE TOUR in D und Ö: Tickets unter https://sternengeschichten.live Der nächste Auftritt wird am 20. Februar 2026 in Wörgl stattfinden und Karten gibt es hier.

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

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

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Sternengeschichten Folge 689: Die interstellare Auslöschung

In dieser Folge geht es um die interstellare Auslöschung. Das klingt extrem dramatisch, aber keine Sorge. Ich rede heute nicht über irgendeinen Weltuntergang. Das, was ausgelöscht wird, sind keine Planeten oder Zivilisationen. Es geht um Licht, das ausgelöscht wird und damit es nicht so extrem klingt, werde ich auch den Fachbegriff verwenden, mit dem man dieses Phänomen in der Astronomie bezeichnet - nämlich "Extinktion" - was aber auf Latein trotzdem nichts anderes bedeutet als "Auslöschung".

Wenn wir uns den Weltraum vorstellen, dann stellen wir uns meistens Nichts vor. Oder besser gesagt: Wir stellen uns schon etwas vor, aber halt einen großen, leeren Raum. Und das ist ja auch keine falsche Vorstellung. Wäre das Weltall nicht weitestgehend leer, dann könnten wir keine Sterne sehen. Das tun wir aber und wir wissen, dass sie enorm weit entfernt sind. Wenn da irgendwas zwischen uns und den Sternen ist, könnten wir sie nicht sehen. Daraus folgt: Der Raum zwischen den Sternen ist ziemlich leer, denn ansonsten würde es ihr Licht nicht bis zu uns schaffen.

Dass das aber im Detail nicht ganz richtig ist, ist den Leuten schon vergleichsweise früh klar geworden. Im Jahr 1847 hat der deutsche Astronom Friedrich Georg Wilhelm Struve ein Buch mit dem Titel „Études d’astronomie stellaire: Sur la voie lactée et sur la distance des étoiles fixes“ geschrieben. Das heißt so viel wie "Studien zur stellaren Astronomie: Über die Milchstraße und über die Entfernung der Fixsterne". Struve hat sich darin jede Menge Gedanken gemacht, unter anderem aber auch über das Olberssche Paradoxon, von dem ich in Folge 258 der Sternengeschichten ausführlich erzählt habe. Kurz zusammengefasst: Der deutsche Astronom Heinrich Wilhelm Olbers hat sich 1832 gefragt, warum es Nachts dunkel ist. Denn, so sein Gedanke, wenn das Weltall unendlich groß und unendlich alt ist und voll mit Sternen, sollten wir immer auf einen Stern blicken, egal wohin wir schauen. Oder anders gesagt: Von jedem Punkt des Himmels müsste Sternenlicht zu uns gelangen und der Himmel müsste Nachts taghell erscheinen. Heute wissen wir, warum der Gedanke falsch ist: Erstens leben Sterne nicht ewig und auch das Universum ist nicht unendlich alt. Olbers hat sein Paradoxon damals anders erklärt: Er hat gemeint, dass der Weltraum nicht komplett leer ist; er ist nicht durchsichtig und das Licht der fernen Sterne kommt nicht zu uns durch. Damit lag er nicht völlig falsch, aber definitiv auch nicht richtig. Denn was auch immer da zwischen uns und den Sternen ist - es hätte sich im Laufe der Zeit durch ihr Licht so weit aufheizen müssen, um selbst zu leuchten zu beginnen.

Struve jedenfalls wollte sich die Sache genauer ansehen. "Wir sehen zu wenig Sterne, drum ist da was, was das Licht blockiert" war ihm als Beleg zu wenig. Also hat er selbst Daten gesammelt. Er Sterne beobachtet und gezählt und ihre Helligkeit gemessen. Und auch andere Daten berücksichtigt. Und dann so argumentiert: Wenn der Raum wirklich transparent ist und die Sterne im Weltraum nicht irgendwie völlig komisch verteilt sind, dann müssten wir um so mehr Sterne sehen können, je weiter wir blicken. Aber so war es nicht, das haben seine Daten gezeigt. Er hat also geschlossen, dass es da eine "extinction de la lumière dans l’espace" gibt, also eine "Auslöschung des Lichts im Weltraum". Wie das zustande kommt und was es ist, dass da Licht auslöscht, konnte er aber auch nicht genau sagen. Und der Vollständigkeit halber: Heute wissen wir, dass auch eine andere wichtige Voraussetzung von Struves Gedankengang falsch ist: Die Sterne sind tatsächlich "komisch" verteilt. Nämlich nicht gleichmäßig im Universum. Sie sind in Galaxien versammelt und zwischen den Galaxien ist sehr, sehr viel nichts. Das wusste Struve damals noch nicht; das wissen wir erst seit dem frühen 20. Jahrhundert. Aber Struve hat sich ja sowieso nur auf die für ihn beobachtbaren Sterne konzentriert, die alle Sterne innerhalb der Milchstraße sind. Und wenn es keine Auslöschung des Lichts geben würde, hätte er tatsächlich mehr weit entfernte Sterne sehen müssen, als er es tatsächlich getan hat.

Aber das war alles immer noch ein wenig vage. Der erste, der wirklich zweifelsfrei und wissenschaftlich wasserdicht Licht in die Angelegenheit gebracht hat, war der aus der Schweiz stammende amerikanische Astronom Robert Julius Trumpler. Im Jahr 1930 hat er eine Arbeit veröffentlicht, die sich mit der Beobachtung von Sternhaufen in der Milchstraße beschäftigt. Er hat die Entfernung dieser Ansammlungen von Sternen untersucht, ihre Größe und ihre Verteilung in der Milchstraße. Für die Entfernungsmessung hat er die sogenannte "spektroskopische Parallaxe" verwendet. Ohne auf die Details einzugehen: Dabei untersucht man das Licht der Sterne, um daraus ihre Temperaturen abschätzen zu können, aus der sich ihre wahren Helligkeiten ergiben. Die kann man dann mit der von der Erde aus sichtbaren scheinbaren Helligkeit vergleichen und daraus die Entfernung bestimmen. Außerdem hat Trumpler auch gemessen, wie groß der Durchmesser ist, unter dem ein Sternhaufen von der Erde aus gesehen am Himmel erscheint. Kennt man die Entfernung, dann folgt daraus direkt, wie groß er tatsächlich sein muss. Wenn es um den scheinbaren Durchmesser geht, dann ist der natürlich um so kleiner, je weiter so ein Haufen weg ist. Für den wahren Durchmesser kann das aber nicht gelten. Ein Sternhaufen ist so groß, wie groß er eben ist - egal ob er uns nahe ist oder nicht. Und dann gibt es ja auch noch physikalische Grenzen, die bestimmen, wie groß so ein Haufen überhaupt werden kann. Trumpler hat jetzt aber etwas interessantes beobachtet: Es gab einen Zusammenhang zwischen der Entfernung und der wahren Größe. Je weiter entfernt ein Sternhaufen von der Erde ist, desto größer war sein wahrer Durchmesser.

Das kann natürlich in echt nicht so sein. Aber was war es dann? Wenn es zwischen uns und den Sternhaufen etwas gibt, so Trumpler, dass das Licht abschwächt, dann sehen wir die Sterne schwächer leuchten, wenn sie weiter weg sind. Dadurch schätzen wir ihre Helligkeit und Temperatur falsch ein und überschätzen ihre Entfernung. Damit überschätzen wir auch gleichzeitig ihren wahren Durchmesser. Trumpler schreibt das auch genau so in seiner Arbeit: "Wenn der interstellare Raum nicht vollständig transparent ist, gilt dieses Gesetz nicht; die scheinbare Helligkeit nimmt dann schneller ab, unsere berechneten Entfernungen sind zu groß, und der Fehler wächst mit der Entfernung des Sternhaufens." Und ihm ist auch noch etwas anderes aufgefallen. Aus der Temperarur des Sterns folgt auch in etwa, welche Farbe das Licht haben muss, das er aussendet. Kühle Sterne sind rötlicher, heiße Sterne sind eher bläulich und dazwischen leuchten die Sterne gelb, weißlich oder orange. Seine Beobachtungen haben aber gezeigt, dass die Farbe der Sterne immer ein wenig rötlicher ist, als erwartet. Das muss aber bedeuten, dass blaues Licht stärker abgeschwächt wird als rotes Licht und DAS bedeutet, dass der Effekt der Auslöschung von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Und, so wie bei der Überschätzung der Durchmesser, nimmt auch dieser Effekt mit der Entfernung zu.

Das, was dafür sorgt, dass man Durchmesser und Farbe der Sterne falsch einschätzt, muss also wirklich überall im Weltraum sein. Wenn es zum Beispiel nur irgendwelche Gaswolken innerhalb der Sternhaufen wären, die das Licht abschwächen, dann gäbe es nicht den Zusammenhang mit der Entfernung. Und das, was das Licht abschwächt, schwächt dieses Licht unterschiedlich stark ab, je nachdem welche Wellenlänge es hat. Das sind alles ziemlich starke Hinweise, dass es sich dabei um kleinste Partikel handelt, wenige Bruchteile von Mikrometern groß. Um das, was wir "Staub" nennen würden - aber in Trumplers Arbeit taucht dieses Wort noch nicht auf. Dafür aber in der ein Jahr später, 1931, erschienenen Arbeit "Über die physikalische Interpretation des Farbexzesses bei Sternen frühen Spektraltyps" von Ernst Öpik. Darin wollte der estnische Astronom klären, was es denn jetzt ist, dass die mittlerweile mehr als gut belegte Auslöschung des Sternenlichts und die Veränderung der Farbe verursacht. Er hat dafür folgende Hypothesen herangezogen: Irgendeine Art von Streuung des Lichts in Erweiterung der Atmosphäre der Sterne selbst. Sterne könnten eine Art von Hülle besitzen, die das Licht beim Durchgang entsprechend verändert. Oder aber die Atmosphäre der Sterne verhält sich anders, als bisher gedacht und schwächt das Licht auf eine unterwartete Weise ab. Oder es gibt große Wolken aus Staub im Weltraum. Nachdem er alle untersucht hat, kommt er zu dem Schluss: "Von diesen Hypothesen erscheint die erste als die wahrscheinlichste, da sie zugleich die einfachste ist und am besten im Rahmen unseres derzeitigen physikalischen Wissens kontrollierbar bleibt." Und sagt weiter: "Der Staub […] könnte ein dauerhafter Bestandteil des galaktischen Systems sein und nicht nur ein vorübergehendes Element, das letztlich durch Strahlungsdruck hinausgetrieben wird."

Damit war der Begriff "Staub" in diesem Zusammenhang etabliert und es war nicht einfach nur Staub, sondern "interstellarer Staub". Wir wissen heute, dass er tatsächlich überall zwischen den Sternen existiert und dass er von den Sternen selbst produziert wird. In seinen letzten Lebensphasen herrschen in einem Stern Bedingungen, unter denen sich all die Atome, die er durch Kernfusion erzeugt hat, miteinander zu komplexen Molekülen verbinden können. Die werden dann ins All hinausgeschleudert und Teil der interstellaren Materie, von der ich in Folge 79 erzählt habe. Dort können sie weiter chemisch reagieren und noch weiter wachsen. Die Teilchen werden durch die Strahlung von Sternen auch wieder zerstört; es gibt einen regelrechten Staubkreislauf. Aber der wichtige Punkt ist: Es gibt jede Menge Staub im All und auch wenn wir den nicht direkt sehen können, schwächt er das Licht der Sterne ab. Je weiter wir hinaus blicken, desto mehr Staub befindet sich auch entlang des Weges, den das Licht bis zu uns zurücklegen muss und desto stärker ist der Effekt. DAS ist die interstellare Extinktion und sie muss immer berücksichtigt werden, wenn man entsprechende Beobachtungen anstellt. Nur wenn die Daten entsprechend korrigiert sind, kann man sie auch richtig interpretieren. Auch in der Astronomie muss also alles regelmäßig entstaubt werden…

Sternengeschichten Folge 688: Keplers Supernova

"Also hat sich auch in jetz ablauffendem 1604. Jahr den 9 oder 10 Octobris abermahl ein sehr grosser heller zwintzerender stern in der constellatione Serpentarij erstmahlen entzündet vnd ist den 17. 18. 21. 28. Octobris observando so viel befunden worden das er kheinen lauff nit habe ausserhalb des täglichen Auff vnd Nidergangs."

Das schreibt, im ungewohnten Deutsch des frühen 17. Jahrhunderts, der berühmte Astronom Johannes Kepler in seinem Text "Gründtlicher Bericht Von einem ungewohnlichen Newen Stern, wellicher im October ditz 1604. Jahrs erstmahlen erschienen". Kepler hat diesen "neuen Stern" erstmals am 17. Oktober beobachtet und kurz danach den Text verfasst, aus dem ich zu Beginn zitiert habe. Es war aber nicht Kepler, der das Phänonem entdeckt hat. Vermutlich war es der italienische Astronom und Franziskanermönch Illario Altobelli, der am 9. Oktober 1604 als erster bemerkt hat, dass am Himmel plötzlich ein neuer Stern aufgetaucht ist; im Sternbild des Schlangenträgers. Am 10. Oktober wurde auch andere darauf aufmerksam, darunter auch der deutsche Astronom Simon Marius. Es waren aber nicht nur die Menschen in Europa, die den neuen Stern am Himmel bemerkt haben. Auch in China und Korea hat man zur selben Zeit die selben Beobachtungen gemacht.

Am Anfang war der neue Stern ungefähr so hell wie der Mars. Dann wurde dass Licht sogar noch heller; heller als der Jupiter, der immerhin nach Mond und Venus das hellste Objekt an unserem Nachthimmel ist. Aber im Gegensatz zu den Planeten hat sich der neue Stern nicht über den Himmel bewegt. Das ist es, was Kepler gemeint hat, als er geschrieben hat "das er kheinen lauff nit habe ausserhalb des täglichen Auff vnd Nidergangs." Der neue Stern geht auf und unter wie die anderen Sterne, aber darüber hinaus bewegt er sich nicht. Aber ab November ging das seltsame helle Objekt nicht mehr auf; erst im Januar 1605 war es wieder am Nachthimmel zu sehen und da immer noch so hell wie hellsten Sterne. Erst fast ein Jahr nach seinem Erscheinen, im Oktober 1605, war der neue Stern verblasst.

Sterne, die plötzlich am Himmel auftauchen und dann wieder verschwinden gehörten nicht zum damaligen Weltbild. Sie waren aber auch nicht völlig unbekannt. Im Jahr 1572 hatte man so etwas schon mal beobachtet und ich habe davon ein bisschen mehr in Folge 167 der Sternengeschichten erzählt. Es gab darüber damals schon große Diskussionen und die wurden jetzt wieder aufgenommen. Denn im 16. und auch im frühen 17. Jahrhundert ging man im wesentlichen immer noch davon aus, dass der Himmel sich so verhält wie es Aristoteles in der griechischen Antike behauptet hat. Vereinfacht gesagt: Die Erde ist die Erde, aber der Himmel ist völlig anders. Der Himmel ist perfekt und göttlich und weil er perfekt ist, verändert sich dort auch nichts. Und auch die Gesetze, nach denen sich die Objekte am Himmel bewegen sind andere, als die, die auf der Erde gelten. Ein neuer Stern, der am Himmel auftaucht, hat dieses Weltbild in Frage gestellt. Manche haben probiert, die Lage zu retten, in dem sie behauptet haben, diese seltsamen Lichter am Himmel hätten gar nichts mit Sternen zu tun. Sondern sind nur ein Art von Leuchterscheinung in der Atmosphäre der Erde oder vielleicht auch ein wenig darüber. Aber auf jeden Fall sind sie uns näher als der Mond, denn das war mehr oder weniger die Grenze, wo man sich damals den Beginn dieser perfekten, himmlischen Sphären gedacht hat.

Es gab da nur ein Problem: Wenn uns diese Lichter wirklich näher sind als der Mond, dann müsste man eine Parallaxe beobachten. Auch davon habe ich schon oft erzählt: Wenn man ein entferntes Objekt von zwei verschiedenen Orten und damit aus zwei verschiedenen Blickwinkeln beobachtet, dann sieht man es jeweils vor einem leicht verschobenen Hintergrund. In der Astronomie bedeutet das: Die Position des Objekts in Bezug auf die fernen Sternen verändert sich scheinbar, wenn man die Beobachtungsposition verändert. Dieser Effekt heißt Parallaxe und er ist um so größer, je näher das Objekt ist. Sowohl beim neuen Stern aus dem Jahr 1572 als auch beim neuen Stern, den Kepler 1604 beschrieben hat, war aber keine Parallaxe zu beobachten. Das bedeutet: Es muss sich um ein weit entferntes Objekt handeln, weiter entfernt als der Mond. Und damit war das Dogma des Unveränderlichen Himmels von Aristoteles in Frage gestellt. Das war auch die Schlussfolgerung, die Galileo Galilei aus seinen Beobachtungen im Jahr 1604 gezogen hat. Er ging aber sogar noch einen Schritt weiter. Seiner Meinung nach könnte es sich beim neuen Stern nicht um einen Stern handeln, sondern um eine große Menge an luftigem Material, das von der Erde aus aufgestiegen ist und jetzt von der Sonne beleuchtet wird. Und es ist nicht nur ein bisschen aufgestiegen, sondern weit über die Distanz des Mondes hinaus. Das klingt jetzt aus heutiger Sicht zwar komisch, aber auch nicht sonderlich schlimm. Aus damaliger Sicht war es das aber. Ludovico delle Colombe, ein Philosoph aus Florenz und einer der größten Gegner von Galileo Galilei hat sich darüber so richtig aufgeregt. Nicht nur habe Galilei behauptet, der unveränderliche göttliche Himmel können sich verändern, was ja schon schlimm genug wäre. Er hat noch dazu behauptet, dass diese Veränderung von der Erde ausgegangen ist. Oder anders gesagt: Die unreinen Elemente der Erde haben das himmlische Material des Äthers im Weltraum verunreinigt! Die irdische Welt und die des Himmels vermischen sich quasi und das war ein Gedanke, der vielen unvorstellbar war. Delle Colombe hatte aber auch keine wirklich gute Alternative um das Phänomen des neuen Sterns zu erklären. Er hat einfach behauptet, dass es sich gar nicht um einen neuen Stern handelt, sondern um einen der eh schon immer da war, nur eben nicht immer sichtbar.

Der Streit zwischen Galilei und der Kirche ging dann ja noch ein bisschen weiter, wie wir wissen - aber das ist wieder eine andere Geschichten. Johannes Kepler jedenfalls hat weitere Beobachtungen des neuen Sterns angestellt, andere Beobachtungen gesammelt und 1606 sein umfassendes Werk "De Stella Nova in Pede Serpentarii" beziehungsweise "Der Neue Stern im Fuß des Schlangenträgers" veröffentlicht. Und am Ende konnte er klar zeigen: Es gibt keine Parallaxe und das Objekt muss sich weit entfernt von uns befinden. Die genaue Natur konnte aber auch er nicht herausfinden.

Dafür haben wir über 300 Jahre warten müssen. In den folgenden Jahrhunderten hat man zwar immer besser gelernt, den Himmel zu beobachten, aber erst als wir in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts auch verstanden haben, wie Sterne eigentlich funktionieren, konnte das Rätsel gelöst werden. Diese Entwicklung zu erzählen wäre wieder ein Thema für eine eigene Folge - aber wir wissen heute, dass der Himmel nicht unveränderlich ist. Sterne leben nicht ewig und wenn sie ihr Leben beenden, dann ist das sehr oft sehr dramatisch. Manche explodieren auf gewaltige Art und Weise und werden dabei für kurze Zeit extrem hell. Solche Ereignisse nennt man "Supernova" und genau so etwas haben Kepler und seine Kollegen im Jahr 1604 beobachtet. Es gibt verschiedene Arten, wie ein Stern explodieren kann und sie laufen alle auf unterschiedliche Weise ab. Aber weil Kepler damals so genaue Aufzeichnungen angefertigt hat, können wir heute damit sogar sagen, dass es im Jahr 1604 eine Supernova vom Typ Ia gewesen sein muss. Ganz kurz gesagt läuft das so: In einem Doppelsternsystem sind zwei Sterne einander sehr nahe. Der eine beendet sein Leben etwas früher als der andere; wenn er den Wasserstoff in seinem Kern durch Kernfusion verbraucht hat und andere atomare Reaktionen ablaufen, wird er heißer, bläht sich zu einem roten Riesen auf, stößt seine äußeren Schichten ab und endet als weißer Zwerg. Etwas später durchläuft der zweite Stern denselben Prozess, aber weil sie sich eben so nahe sind, kann das Material, dass er beim Aufblähen abstößt auf den weißen Zwerg fallen. Dort gibt es dann plötzlich wieder genug Brennstoff, die Kernfusion setzt erneut ein und das auf explosive Art und Weise. Der weiße Zwerg wird zerstört und leuchtet dabei extrem hell auf. Die Änderung der Helligkeit - das Aufleuchten und das Abklingen des Lichts - verläuft dabei auf ganz charakteristische Weise und die stimmt mit den Daten von Kepler überein.

Es war also kein neuer Stern, den man damals beobachtet hat. Kein Stern ist plötzlich aufgetaucht; im Gegenteil: Ein Stern ist für immer aus dem Universum verschwunden. Nur hat er das mit einem ordentlichen Lichteffekt gemacht und ist dabei so hell geworden, dass er trotz seiner großen Distanz sichtbar wurde. Denn wir wissen heute auch, wie weit entfernt sich das alles abgespielt hat. Keplers Daten haben da ein weiters Mal geholfen. Mit seinen Positionsaufzeichnungen und dem großen Teleskop der Mount Wilson Sternwarte in den USA konnte der deutsche Astronom Walter Baade im Jahr 1941 zeigen, dass sich dort, wo damals der Stern aufgetaucht ist, ein nebelartiges Gebilde befindet. Heute sehen wir das alles natürlich noch besser und können die bei der Supernova durchs Weltall geschleuderten Gasmassen im Detail beobachten. Wir wissen daher auch, dass der Stern in circa 20.000 Lichtjahren Entfernung explodiert ist.

Johannes Kepler hat die Supernova aus dem Jahr 1604 nicht entdeckt; er hat auch nicht verstanden, was da genau passiert. Das konnte er mit dem Wissen und den Mitteln der damaligen Zeit natürlich auch nicht. Aber er hat trotzdem alles so genau aufgezeichnet, dass wir später die Möglichkeit hatten, das Rätsel zu lösen. Deswegen ist auch durchaus gerechtfertig, dass diese Supernova heute nicht nur die offizielle Bezeichnung SN 1604 trägt, sondern auch als Keplers Supernova bezeichnet wird. Es wäre natürlich toll gewesen, wenn wir schon damals mit unseren Teleskopen genau dabei zusehen hätten können, wie da ein Stern in unserer eigenen Milchstraße explodiert. Aber das Teleskop ist erst 5 Jahre später, im Jahr 1609 erfunden worden. Wir haben im Laufe der Zeit Supernova-Explosionen überall im Universum gesehen. In der großen Magellanschen Wolke, der Andromedagalaxie und allen möglichen anderen weit entfernten Galaxien. Im Jahr 2004 hat man das 400jährige Jubiläum von Keplers Supernova gefeiert - und das hat man in der Astronomie durchaus, denn es war ein wirklich wichtiges Ereignis. Was man damals aber nicht feiern konnte war die Beobachtung einer weiteren Supernova in unserer eigenen Milchstraße. Wir wissen, was da passiert und wir haben die Mittel, alles genau zu beobachten. Wir könnten so enorm viel von einer Supernova in relativer Nähe lernen. Aber über die Jahrhunderte ist leider kein weiterer Stern explodiert. Vielleicht klappt es ja bis zum 500. Geburtstag im Jahr 2104.

Sternengeschichten Folge 687: Zwerggalaxien und ihre Probleme

In dieser Folge der Sternengeschichten schauen wir wieder weit hinaus ins Weltall. Auf jeden Fall über die Grenzen unserer Milchstraße hinaus. Es wird extragalaktisch, aber wir wollen auch nicht übertreiben und bleiben bei den kleinen Dingen, die sich im großen Raum jenseits der Milchstraße befinden: Den Zwerggalaxien.

Die sind, immer wieder mal, in verschiedenen Folgen der Sternengeschichten aufgetaucht, aber sie haben bis jetzt noch keine eigene Folge bekommen, und das ist nötig. Denn die Zwerggalaxien sind nicht nur sehr spannend, sondern auch Teil eines großen Problems, das wir mit dem Verständnis des gesamten Universums und seiner Entwicklung haben.

Aber bevor es problematisch wird, bleiben wir bei den Zwerggalaxien selbst. Eine Galaxie ist eine große Ansammlung von Sternen, ein paar hundert Milliarden oder sogar noch mehr, die durch ihre Gravitationskraft aneinander gebunden sind. Und Gas, Staub, dunkle Materie und so weiter ist da natürlich auch noch mit dabei. Die Milchstraße ist eine Galaxie, zu der auch die Sonne gehört. Die Andromedagalaxie ist unsere nächstgelegene Nachbargalaxie - und so weiter. Das Universum ist voll damit. Und eine Zwerggalaxie ist - wenig überraschend - eine kleine Galaxie. Es gibt keine exakte Definition, ab wann man einen Haufen Sterne als "Zwerggalaxie" bezeichnet. Wenn es sehr viele Sterne sind, dann ist es eine Galaxie. Wenn es sehr wenig Sterne sind, dann ist es ein Sternhaufen beziehungsweise ein Kugelsternhaufen. Und irgendwo dazwischen sind die Zwerggalaxien. Typischerweise haben Zwerggalaxien mindestens ein paar hunderttausend Sterne und höchstens ein paar Milliarden. Aber wie gesagt - klare Grenzen gibt es da nicht.

In Folge 243 der Sternengeschichten habe ich ausführlich über die große und die kleine Magellansche Wolke gesprochen; zwei Zwerggalaxien, die man sehr gut mit freiem Auge am Nachthimmel sehen kann, zumindest wenn man sich ausreichend weit im Süden befindet. Sie enthalten 15 Milliarden Sterne beziehungsweise circa 5 Milliarden Sterne und in beiden Fällen sind das ziemlich viele Sterne. Ok, es sind nicht die rund 200 Milliarden Sterne die sich in der Milchstraße befinden, aber jetzt auch nicht dramatisch viel weniger. Wir haben aber auch schon Zwerggalaxien gefunden wie Ursa Major III, in der wir nur 57 Sterne sehen konnten. Das sind zugegeben extrem wenig Sterne, aber in dem Fall wird das durch die große Menge an dunkler Materie ausgeglichen, die sich dort befindet. Aber Objekte wie Ursa Major III sind Extremfälle und eine eigene Folge der Sternengeschichten wert.

Bleiben wir bei den normalen Zwerggalaxien. So wie die großen Galaxien kann man sie auch anhand ihrer Form einteilen. Es gibt elliptische und sphäroidale Zwerggalaxien, die - wie der Name nahelegt - mehr oder weniger kugelförmige Ansammlungen sind. Es gibt die irregulären Zwerggalaxien, deren Form irgendwie ist und es gibt Zwergspiralgalaxien. Dort sind die Sterne in einer Scheibe mit Spiralarmen angeordnet, so wie es auch in der Milchstraße und vielen anderen großen Spiralgalaxien der Fall ist. Zwergspiralgalaxien sind aber deutlich seltener. Damit eine Galaxie Spiralearme ausbilden kann, braucht sie vor allem ausreichend viel Gas und die Sterne müssen sich ausreichend lange stabil um das Zentrum der Galaxie herum bewegen. Zwerggalaxien sind klein und haben wenig Masse. Dadurch ist auch die gravitative Bindung zwischen den Sternen schwach und sie bewegen sich langsam. Sie können deswegen durch ihre Bewegung auch nicht die gravitativen Störungen auf das Gas ausüben, so dass dort neue Sterne entstehen. Ich will jetzt gar nicht im Detail auf die Entstehung von Spiralarmen und die "Dichtewellentheorie" eingehen, die das erklärt. Aber sehr kurz gesagt: Spiralarme bilden sich dann, wenn die kombinierten gravitativen Störungen jeder Menge Sterne auf die richtige Weise auf das interstellare Gas einwirken, so dass dort an bestimmten Stellen neue Sterne entstehen. Die leuchten dann hell und weil sie eben nur an bestimmten Stellen entstehen und hell leuchten, sehen wir ein Muster und dieses Muster sind die Spiralarme. Zwerggalaxien haben im Allgemeinen zu wenig Sterne dafür, sie bewegen sich nicht auf die richtige Weise und haben zu wenig Masse, um das Gas, das man für die Sternentstehung braucht, festzuhalten.

Deswegen sind die allermeisten Zwerggalaxien einfach "Haufen" von Sternen; manche eher kugelförmig und manche komplett unförmig. Und unförmig sind sie vor allem dann, wenn sie mit einer großen Galaxien in Wechselwirkung treten. Auch davon habe ich schon oft erzählt, zum Beispiel als es um die Sternströme in Folge 177 ging. Eine große Galaxie kann eine kleine Zwerggalaxie durch ihre Gravitationskraft nicht nur anziehen, sondern auch verformen. Und am Ende dann verschlucken. Das passiert ständig denn die Zwerggalaxien sind normalerweise immer in der Nähe von großen Galaxien zu finden. Es gibt zwar auch welche, die isoliert und weitab von allen anderen Galaxien existieren. Aber normalerweise ist die Situation so wie bei unserer Milchstraße: Sie hält sich einen ganzen Haufen an Satellitengalaxien. Wir kennen ein paar Dutzend davon. Die uns nächstgelegene ist die Canis-Major-Zwerggalaxie in circa 25.000 Lichtjahren Entfernung. Die bekanntesten sind die vorhin angesprochenenen Magellanschen Wolken, von denen die große auch die größte Satellitengalaxie ist. Aber wir kennen eben auch noch jede Menge andere, die die Milchstraße wie eine Wolke umgeben. Auch die Andromedagalaxie hat ihre eigene Gruppe an Satellitengalaxien.

Und jetzt nähern wir uns langsam dem Problem, das ich zu Beginn der Folge angesprochen habe. Wir gehen heute davon aus, dass die Galaxien sich hierarchisch entwickelt haben. Das soll heißen: Zuerst sind kleine Strukturen entstanden und die haben sich langsam zu größeren entwickelt. Oder anders gesagt: Eine Galaxie wie die Milchstraße, die aus ein paar hundert Milliarden Sternen besteht, ist nicht auf einen Schlag entstanden. Zuerst waren da jede Menge kleinere Ansammlungen von Sternen, die sich gegenseitig mit ihrer Gravitationskraft beeinflusst haben. Manche davon sind miteinander verschmolzen und haben größere Ansammlungen gebildet. Die größten haben dann dominiert und noch mehr der kleineren verschluckt. Bis am Ende dann, vereinfacht gesagt, eine große Galaxie existiert, die von jeder Menge Zwerggalaxien umgeben ist, die noch nicht mit ihr verschmolzen sind sondern sich vorerst noch als "Satelliten" um die große Galaxie herum bewegen.

Mit unserem Wissen über die Vorgänge im frühen Universum, den theoretischen Modellen über die Entstehung und Entwicklung der Galaxien und so weiter, können wir das alles im Computer simulieren. Das ist alles andere als einfach. Man muss dazu zum Beispiel den Einfluss der dunklen Materie berücksichtigen, von der es ja sehr, sehr viel mehr gibt als von der normalen Materie. Die dunkle Materie hat im frühen Universum gigantische Wolke gebildet. Die Anziehungskraft dieser Wolken hat dafür gesorgt, dass die normale Materie sich in deren Zentren ansammelt. Dort sind daraus dann Galaxien entstanden - jede Galaxie liegt also im Zentrum einer noch viel größeren Wolke aus dunkler Materie. Diese Dunkle-Materie-Wolken stehen natürlich ebenfalls in Wechselwirkung miteinander und weil es eben so viel mehr dunkle Materie gibt als normale Materie, ist es genaugenommen diese Wechselwirkung, die relevant ist. Die Galaxien und Zwerggalaxien in den Zentren dieser Wolken sind nur so etwas wie leuchtende Markierungen für uns, anhand derer wir nachvollziehen können, wie die Struktur der Wolken aussehen muss.

All das muss man berücksichtigen, wenn man entsprechende Computermodelle haben will. Auf jeden Fall aber kann man solche Simulationen machen und sie stimmen eigentlich recht gut mit den realen Daten überein. Die großräumige Struktur, die sich in so einem Computeruniversum im Laufe der Jahrmilliarden entwickelt sieht mehr oder wenig so aus wie das, was wir auch in echt sehen, wenn wir die Verteilung der Galaxien im Universum kartieren. Wenn da nicht die Zwerggalaxien wären! Denn wir sehen zwar, dass jede große Galaxie einen Haufen Satellitengalaxien um sich herum hat. Aber wir sehen deutlich weniger als in den Simulationen. Das ist das Problem mit den Zwerggalaxien, das auch oft das "Missing Satellite Problem" genannt wird.

Wir wissen immer noch nicht genau, was die Ursache für das Zwerggalaxienproblem ist. Es kann natürlich sein, dass wir irgendwas grundlegendes nicht verstanden haben, was mit der Entwicklung des Universums zu tun hat. Vielleicht brauchen wir ein neues kosmologisches Modell; eine völlig neue Theorie über das Universum. Aber, und das ist vermutlich wahrscheinlicher, vielleicht haben wir auch nur ein paar Details noch nicht ganz verstanden. Wir sehen ja nur die Zwerggalaxien, in denen sich auch ausreichend viele Sterne befinden, die Licht aussenden. Es kann aber durchaus sein, dass in vielen Zwerggalaxien wenig oder vielleicht sogar gar keine Sterne gebildet worden sind. Ich habe vorhin gesagt, dass die großräumige Struktur durch die Verteilung der dunklen Materie bestimmt wird, die wir nicht direkt beobachten können. Wir sehen nur die normale Materie, die sich in den Zentren der großen Wolken aus dunkler Materie angesammelt und in Form von Sternen und Galaxien zu leuchten begonnen hat. Was aber, wenn sich in manchen Wolken aus dunkler Materie keine Sterne gebildet haben? Oder nur so wenig, dass wir es nicht beobachten können? Vielleicht müssen wir nicht unsere Theorien über das Universum über den Haufen werfen, sondern besser verstehen, wie die Wolken aus dunkler Materie die Entstehung von Galaxien beeinflussen?

Was aber auf jeden Fall außer Frage steht ist: Zwerggalaxien sind wichtig. Sie sind zahlreicher als die großen Galaxien. Sie sind quasi das, was bei der Entstehung der großen Galaxien übrig geblieben sind; sie sind eine Möglichkeit für uns, die Bildung der großen Strukturen im Universum zu verstehen. Und je besser wir darin werden, sie zu beobachten, desto besser werden wir auch verstehen, wie das Universum zu dem geworden ist, was wir heute sehen.

**Sternengeschichten Folge 686: Der asymptotische Riesenast **

In dieser Folge der Sternengeschichten geht es zum asymptotischen Riesenast! Das klingt natürlich seltsam: Was soll ein Ast mit dem Weltraum zu tun haben und warum ist es ein Riesenast? Und warum ist er asymptotisch? Das werden wir alles klären - aber es geht natürlich nicht um den Ast eines Baumes, sondern um das, was ein Stern wie unsere Sonne macht, kurz bevor er aufhört, ein Stern zu sein. Der asymptotische Riesenast beschreibt die letzten Schritte im Leben eines Sterns und da passieren jede Menge spektakuläre Dinge.

Aber bevor wir zum Ast kommen, müssen wir uns ein wenig mit dem Stern beschäftigen. Alles was ich im folgenden sage, gilt für Sterne, die nicht allzu viel mehr Masse haben als unsere Sonne. Es geht um Sterne, mit circa einer halben Sonnenmasse, bis hin zum circa 8-fachen der Sonnenmasse. Nur sie verhalten sich so, wie ich es jetzt gleich erklären werde. Ich habe in den vergangenen Folgen der Sternengeschichten schon oft davon erzählt, was ein Stern wie unsere Sonne gegen Ende seines Lebens tut. Aber für diese Folge müssen wir uns das sehr viel genauer ansehen als bisher. Ein Stern fusioniert Wasserstoff zu Helium und erzeugt dadurch Energie. Das passiert aber nur im Kern des Sterns, weiter außen reicht die Temperatur dafür nicht aus. Wenn im Kern kaum Wasserstoff mehr übrig ist, dann wird logischerweise auch weniger Fusion stattfinden und es wird weniger Energie erzeugt, die in Form vom Strahlung nach außen dringen kann. Diese Strahlung ist aber quasi die Gegenkraft, die verhindert, dass der Stern unter seiner eigenen Masse in sich zusammenfällt. Wenn der Strahlungsdruck also geringer wird, fällt der Stern - oder genauer gesagt: Der Kern, der jetzt fast nur noch aus Helium besteht - in sich zusammen. Deswegen steigt dort die Dichte und es steigt die Temperatur. Weil der Kern jetzt heißer ist als vorher, heizt er auch die weiter außen liegenden Gasschichten des Sterns auf. Und dort befindet sich ja noch jede Menge Wasserstoff; Wasserstoff, der auf einmal ausreichend stark aufgeheizt wird, um fusionieren zu können. Oder anders gesagt: Wir haben jetzt einen Stern mit einem Kern aus Helium, das vorerst nichts macht, und drum herum eine Hülle aus Wasserstoff, der heiß genug ist, um zu Helium fusioniert zu werden.

Und es ist nicht nur heiß genug, es ist sogar noch heißer als es vorher im alten Kern war. Denn der neue Heliumkern ist viel kompakter und dichter; seine Gravitationskraft ist sehr stark und deswegen ist der Druck in der darüberliegenden Schale aus Wasserstoff ebenfalls sehr hoch und hoher Druck bedeutet immer auch eine hohe Temperatur. Der Wasserstoff, der jetzt in der Schale um den Kern herum fusioniert, tut das also unter extremeren Bedingungen; es wird sehr viel mehr Energie frei als früher und die muss irgendwie nach außen. Der jetzt stärkere Strahlungsdruck bläht den Stern auf. Er wird größer und seine Oberfläche dadurch kühler (weil sich die Energie dort jetzt über eine größere Fläche verteilt als vorher). Das Resultat: Wir haben einen Stern, der einerseits - außen! - kühler ist als vorher und gleichzeitig heller leuchtet, weil er viel größer ist. Ein Stern wie unsere Sonne, der vorher weiß-gelbliches Licht abgegeben hat, leuchtet nun im kühleren Rot und wird riesig. Oder anders gesagt: Er wird zu einem Roten Riesenstern.

Ist der Wasserstoff in der Schale aufgebraucht und zu Helium geworden, dann ist einerseits der Heliumkern dadurch größer geworden, noch dichter und noch heißer und andererseits kann dadurch die nächst-äußere Wasserstoffschicht zu fusionieren beginnen. Der Stern bläht sich noch mehr auf - und so weiter. Aber natürlich nicht ewig und so weiter. Was am Ende dieser Entwicklung, passiert habe ich in Folge 576 sehr ausführlich erklärt. Irgendwann wird es jetzt auch im Heliumkern so heiß, dass endlich auch die Heliumatome miteinander fusionieren können. Das passiert quasi schlagartig, und deswegen nennt man das auch den "Helium-Blitz". Ob und wie so ein Blitz stattfindet hängt übrigens von der Masse des Sterns ab, aber das wichtige ist: Wir haben jetzt einen Stern, der quasi doppelt fusionieren kann: Helium im Kern und Wasserstoff in einer Schale außen herum. Das ganze läuft jetzt wieder ein wenig stabiler ab; der Stern dehnt sich nicht mehr dramatisch aus; seine Oberfläche wird wieder ein wenig heißer; seine Helligkeit wächst nicht mehr dramatisch an. Aber auch diese Phase dauert nicht ewig, denn irgendwann ist das Helium im Kern durch die Fusion aufgebraucht. Jetzt passiert quasi das selbe wie vorhin, nur mit Helium anstatt Wasserstoff. Der Kern fällt in sich zusammen; es wird heiß genug, dass Helium in einer Schale um den Kern herum fusionieren kann (während noch weiter außen der Wasserstoff natürlich immer noch fusioniert und neues Helium produziert). Der Stern beginnt wieder, sich aufzublähen und seine Oberfläche kühlt weiter ab.

In Wahrheit sind die Vorgänge natürlich alle deutlich komplexer als ich sie beschrieben habe, aber das reicht fürs Erste. Es reicht auf jeden Fall, um jetzt endlich die Sache mit dem Riesenast zu klären. Und dafür müssen wir noch einen kurzen Ausflug zum Hertzsprung-Russell-Diagramm machen. Darüber habe ich in einer der allerersten Folgen der Sternengeschichten gesprochen. Dieses Diagramm ist eines der wichtigsten Instrumente in der Astronomie. Ganz simpel gesagt handelt es sich um ein Diagramm, bei dem auf der x-Achse die Temperatur des Sterns aufgetragen wird, und zwar so, dass hohe Temperaturen links sind und tiefe Temperaturen rechts. Auf der y-Achse trägt man die Helligkeit ein, so dass helle Sterne oben sind und weniger helle weiter unten. Ein Stern, der noch quasi mitten im Leben steht, ändert weder seine Helligkeit noch seine Temperatur - das ist ja alles im Gleichgewicht. Er hat in dieser Phase also einen fixen Platz im Diagram: Kühle Sterne leuchten schwach; heiße Sterne leuchten hell und wenn wir alle möglichen Sterne in so ein Diagramm einzeichnen, kriegen wir Punkte entlang einer Linie, die von links oben nach rechts unten verläuft. Diese Linie nennt man die "Hauptreihe", weil sie eben die Phase markiert, in der ein Stern den hauptsächlichen Teil seines Lebens verbringt.

Als ich vorhin von dem erzählt habe, was in den späten Phasen eines Sternenlebens passiert, habe ich auch immer wieder gesagt, dass die Leuchtkraft sinkt oder die Temperatur steigt, und so weiter. Das heißt aber auch: Wenn ein Stern in diese Endphase seines Lebens kommt, dann fängt er an, im Hertzsprung-Russell-Diagramm herumzuwandern. Die erste Phase die ich beschrieben habe, war die der Roten Riesen: Ein Stern wird kühler und gleichzeitig heller, weil er sich aufbläht. Im Hertzsprung-Russell-Diagramm entspricht das also einer Linie, die vom Startpunkt irgendwo auf der Hauptreihe nach rechts oben verläuft. Wenn dann der Heliumblitz einsetzt, wird der Stern ein klein wenig heißer und kaum noch heller. Er wandert im Diagramm jetzt also wieder ein Stück nach links und gleichzeitig nur wenig oder gar nicht nach oben. Die Linie knickt also fast horizontal nach links ab. Dann, wenn auch die Heliumschalen zu fusionieren beginnen, bläht sich der Stern wieder auf, wird wieder heller und kühler - und folgt im Laufe der Zeit einer Linie, die erneut nach rechts oben im Diagramm verläuft, fast parallel zur ersten Linie der er während der Phase als roter Riese gefolgt ist.

Ich weiß, es ist ein wenig schwierig sich das ohne Bilder vorzustellen. Aber ich habe das trotzdem so ausführlich erklärt, weil man nur so verstehen kann, was mit dem Begriff "Asymptotischer Riesenast" gemeint ist. Ich habe vorhin schon von der "Hauptreihe" geredet, dem Bereich im Hertzsprung-Russell-Diagramm, in dem sich die Sterne während ihrer normalen Lebensphase befinden. Und genau so wie man diesem Bereich einen Namen gegeben hat, haben auch die anderen Regionen Namen, in denen sich ein Stern während seiner Entwicklung befinden kann. Wenn man alle möglichen Linien einzeichnet, denen Sternen folgen können, dann sieht es fast so aus wie Äste, die aus der Hauptreihe herauswachsen und darum hat man sie auch so genannt. Die Linie, entlang der sich ein Stern während seiner Phase als Roter Riese nach rechts oben bewegt, heißt "Roter Riesenast". Wenn die dann horizontal nach links abknickt, weil der Heliumblitz eingesetzt hat, befindet sich der Stern auf dem "Horizontalast". Danach kommt er auf die Linie, die parallel neben dem Riesenast wieder nach rechts oben führt. Die eine Linie nähert sich also quasi der anderen an und man hat dafür den mathematischen Fachbegriff der Asymptote verwendet, auch wenn es streng genommen mathematisch nicht korrekt ist. Aber das kümmert die Astronomie in dem Fall nicht und man nennt die Linie, entlang der sich ein Stern in dieser Phase seines Lebens bewegt trotzdem den "Asymptotischen Riesenast". Auf englisch heißt das "asymptotic giant branch" oder kurz "AGB" und ein Stern, der gerade diese Entwicklung durchmacht wird AGB-Stern genannt.

Auch unsere Sonne wird diesem Weg folgen. In 5 bis 6 Milliarden Jahren wird sie die Hauptreihe verlassen und sich entlang des Roten Riesenastes entwickeln. Sie wird einen kurzen Schlenker am Horizontalast einlegen, bevor sie als AGB-Stern auf den Asymptotischen Riesenast einschwenkt. Und dann? Dann ist ihr Leben als Stern bald vorbei. Sie wird größer werden, als sie es als Roter Riese gewesen ist; ihr Inneres wird immer heißer werden und der Druck der Strahlung immer größer. Im Abstand von einigen zehn- bis hunderttausend Jahren werden mehrere Heliumblitze stattfinden, je nachdem in welcher Schale um den Kern das Helium gerade zu fusionieren beginnt. Dabei wird die freiwerdende Strahlung so viel Druck ausüben, dass sie sich nicht nur aufbläht, sondern Teile ihrer äußeren Schichten komplett hinaus ins All pustet. Sie verliert immer mehr Masse, wodurch in den Schalen um den Kern immer weniger bleibt, was fusionieren kann. Am Ende bleibt nur ein Kern übrig, in dem keine Fusion mehr stattfindet, der aber immer noch heiß genug ist, um die abgestoßenen Gasschichten zum Leuchten anzuregen. Das ist die Phase der "Planetarischen Nebel", von denen ich in Folge 303 ausführlich gesprochen habe und wenn die Gasschichten sich irgendwann verflüchtigt haben, bleibt nur der fusionslose Kern übrig beziehungsweise das, was wir einen "Weißen Zwerg" nennen. Aber weder einen weißer Zwerg noch einen planetarischen Nebel kann man als "Stern" bezeichnet. Das letzte Mal, das unsere Sonne diesen Status verdient hat, ist in ihrer Phase als AGB-Stern am Asymptotischen Riesenast.

Verglichen mit den Milliarden von Jahren, die ein Stern davor auf der Hauptreihe verbringt, ist die Zeit am Asymptotischen Riesenast verschwindend kurz. Dort verbringt er höchstens ein paar Millionen Jahren. Trotzdem passieren währenddessen in seinem Inneren so viele komplexe Dinge, dass die Erforschung der AGB-Sterne eine eigene Disziplin innerhalb der Astronomie ist. Die AGB-Phase der Sterne hat zum Beispiel die chemische Entwicklung des Universums massiv geprägt; viele chemische Elemente können nur in dieser kurzen Zeit unter diesen speziellen Bedingungen entstehen. Aber das ist wieder eine ganz andere Geschichte. Auch wenn Sterne nur kurze Zeit am Asymptotischen Riesenast verbringen, reicht es natürlich trotzdem um darüber noch sehr viel mehr Geschichten erzählen zu können.

Sternengeschichten Folge 685: Die dicken und die dünnen Scheiben der Galaxien

Bei einer "dicken Scheibe" denkt man vermutlich zuerst an das, was man sich von einem Kuchen abschneiden möchte und die dünne Scheibe ist das, was man sich dann auf den Teller legt, wenn man zu viele dicke Scheiben gegessen hat. Aber in dieser Folge geht es heute natürlich nicht ums Essen. Es geht um Galaxien und darum, wie sie aufgebaut sind. Und vor allem geht es darum, was wir aus diesem Aufbau über die Entstehung und Entwicklung der Galaxien lernen können.

Die Sonne ist Teil der Milchstraße, einer Galaxie die aus ein paar hundert Milliarden Sternen besteht und bei der es sich um eine sogenannte "Spiralgalaxie" handelt. Ich habe in den vergangenen Folgen immer wieder über die verschiedenen Arten von Galaxien gesprochen und bei den Spiralgalaxien meistens erklärt, dass man dort zwei hauptsächliche Komponenten unterscheiden kann. Einerseits eine kugelförmige Zentralregion die dicht mit Sternen besetzt ist, den sogenannten "Bulge". Dieser Bulge befindet sich inmitten einer großen Scheibe aus Sternen, die sich dort spiralförmig anordnen und weniger dicht beieinander stehen als im Bulge. Und das ist auch richtig - aber wie so oft ist es nicht das komplette Bild. Aber das haben wir erst gemerkt, als wir uns die Spiralgalaxien ganz genau angesehen haben.

Normalerweise ist das, was ich vorhin gerade gesagt habe, auch genau das, was man sehen kann, wenn man Aufnahmen von fernen Spiralgalaxien macht. Man sieht eine Scheibe mit Spiralarmen und ein helles Zentrum. Im Jahr 1979 hat dann aber der amerikanische Astronom David Burstein eine Arbeit über die Helligkeitsverteilung in lentikulären Galaxien veröffentlicht. Was lentikuläre Galaxien sind, habe ich in Folge 591 ausführlich erklärt; ist aber jetzt auch gar nicht so relevant. Viel wichtiger ist, dass sich Burstein mit der vertikalen Helligkeitsverteilung beschäftigt hat, auch wenn das vielleicht eher ein klein wenig öde klingt anstatt wichtig. Aber im Prinzip geht es um folgendes: Wenn wir ferne Galaxien untersuchen, dann können wir dort nur in ganz seltenen Fällen tatsächlich einzelne Sterne sehen. Das geht nur bei unseren nächsten Nachbargalaxien; von allen anderen sehen wir nur eine leuchtende, scheibenförmige Struktur. Aber wir sind natürlich trotzdem an den Details zum Aufbau der Galaxie interessiert. Der genaue Prozess um das zu erreichen, ist selbstverständlich sehr komplex und aufwendig, aber kurz gesagt, läuft es so: Man misst die Helligkeit der Galaxie, aber nicht im Ganzen, sondern in verschiedenen Bereichen. Man kann zum Beispiel Linien gleicher Helligkeit bestimmen; ein wenig so wie man es in der Meteorologie mit Temperatur und Luftdruck macht. Dann kann man auf den Landkarten Isothermen und Isobaren einzeichnen; in der Astronomie sind dass dann dementsprechend Isophoten. Aber die Bezeichnungen sind auch gar nicht so wichtig. Man verbindet die Punkte gleicher Helligkeit und dann kriegt man zum Beispiel eine Kurve, die das Zentrum der Galaxie umschließt, wo sich der dicht mit Sternen besetzte und damit auch sehr helle Bulge befindet. Außerhalb dieser Kurve ist es dann weniger hell, dh. dort müssen auch weniger Sterne sein, noch weiter außerhalb ist es noch weniger hell, und so weiter. Aus den Details der Struktur der Isophoten kann man dann ableiten, wie viele Sterne sich in welchem Abstand vom Zentrum befinden müssen und die Struktur der Galaxie selbst rekonstruieren.

David Burstein hat 1979 Galaxien untersucht, die wir "edge-on" sehen. Das heißt, von uns aus gesehen blicken wir genau auf die Kante der Scheibe. Wir sehen also keine Spiralarme - dafür müssten wir mehr von "oben" auf die Scheibe schauen. Aber Burstein wollte wissen, wie dick die Scheiben sind und hat dafür genau die Helligkeitsmessungen gemacht, die ich gerade erklärt habe und dann probiert, daraus mit Modellen abzuleiten, wie groß Scheibe und Bulge sind. Dabei hat Burstein gemerkt, dass das nicht so gut funktioniert, zumindest dann nicht, wenn man auch den Teil der Scheibe vernünftig berücksichtigen will, der am wenigsten hell leuchtet. Er hat nur dann ein brauchbares Ergebnis bekommen, wenn er in seinem Modell zwei Scheiben verwendet. Eine dünne Scheibe, um die herum sich auch noch eine dicke Scheibe befindet. Nur die Modelle in der die Scheibe aus diesen beiden Komponenten besteht waren in der Lage, die Helligkeitsmessungen vernünftig zu beschreiben.

Und weil die Astronomie bei der Namensgebung oft erstaunlich unkreativ ist, sind dass die Bezeichnungen, die man auch heute noch verwendet: Dicke Scheibe und Dünne Scheibe. Und jetzt könnte man sich natürlich denken, warum man da eine eigene Folge der Sternengeschichten machen muss. Dann haben die Spiralgalaxien halt eine dünne und eine dicken Scheibe? Was ist da so außergewöhnlich daran. Beziehungsweise: Wenn die dünne Scheibe quasi innerhalb der dicken Scheibe liegt, ist dass dann nicht eigentlich immer noch nur eine Scheibe?

Das sind gute Fragen und wie üblich ist die Sache nicht so einfach, wie sie auf den ersten Blick klingt. Die Sterne in einer Galaxien sind ja nicht gleichmäßig verteilt. Ich habe zu Beginn schon erwähnt, dass es den Bulge gibt, in dem die Sterne viel dichter beieinander stehen als in der Scheibe. Und in der Scheibe gibt es die Spiralarme aus Sternen und die Bereiche dazwischen, wo sich weniger Sterne befinden. Die dicke und die dünne Scheibe unterscheiden sich auf eine ähnliche Weise: Die meisten Sterne einer Galaxie findet man in der dünnen Scheibe; sie ist quasi das, was wir sehen, wenn wir eine Spiralgalaxie anschauen. In der dicken Scheibe gibt es viel weniger Sterne, auch wenn sie ausgedehnter ist. In der Milchstraße hat die dünne Scheibe eine Dicke von etwa 1000 Lichtjahren und dort befinden sich 95% aller Sterne, die nicht zum Bulge gehören. Die dicke Scheibe ist zwischen 2000 und 3600 Lichtjahren dick. Aber viel interessanter ist, dass sich dünne und dicke Scheibe nicht einfach nur durch die Anzahl der Sterne unterscheiden. Die Sterne der dicken Scheibe unterscheiden sich vor allem durch ihre Bewegung, ihr Alter und ihre chemische Zusammensetzung. Sie enthalten weniger schwere Elemente (also Elemente, die kein Wasserstoff oder Helium sind) als die Sterne in der dünnen Scheibe und sie sind alle viel älter. Die Sterne in der dicken Scheibe sind also grundlegend anders als die der dünnen Scheibe und wenn wir wüssten, warum es in den Galaxien diese beiden Sterngruppen in den beiden Komponenten der Scheibe gibt, dann könnten wir daraus viel über die Entstehung und Entwicklung der Galaxien lernen.

Man hat einige Hypothesen entwickelt, warum das so sein könnte. Zum Beispiel, weil Galaxien ja wachsen, in dem sie mit anderen Galaxien verschmelzen. Die dicke Scheibe könnte ein Überrest so einer alten Galaxie sein. Oder die Sterne der dicken Scheibe könnten früher aus der jungen Scheibe hinaus geworfen worden sein, was vor allem die Unterschiede in ihrer Bewegung erklären würde. Es gibt noch weitere Erklärungen, die alle aber nicht wirklich exakt passen. Im Juni 2025 haben Daten des James-Webb-Weltraumteleskops dann neue Erkenntnisse gebracht. Man hat 111 Galaxien beobachtet, in unterschiedlichen Distanzen. Teilweise hat das Licht bis zu 11 Milliarden Jahren bis zu uns gebraucht; wir haben also Galaxien gesehen, die im frühen Universum entstanden und noch nicht so weit entwickelt sind und Galaxien, die uns näher sind und die sich schon so lange entwickelt haben wie die Milchstraße. Die Astronominnen und Astronomen haben dabei Galaxien gefunden, die eine dicke und dünne Scheibe haben - und Galaxien, die nur eine einzige Scheibe besitzen. Eine genaue Analyse der Daten hat gezeigt, dass eine typische Galaxie zuerst mit nur einer Scheibe gebildet wird, nämlich der dicken Scheibe. Erst später entwickelt sich dann daraus auch eine dünne Scheibe. Das läuft vermutlich so: Eine junge Galaxie hat in ihrer - einen - Scheibe jede Menge Gas, das turbulent durch die Gegend wirbelt. Aus diesem Gas entstehen jede Menge Sterne, die dann das turbulente Gas stabilisieren. Die Bewegung von Gas und Sternen wird stabiler und sie sammeln sich einer dünneren Scheibe an; das, was zurück bleibt ist dann die dicke Scheibe. Und weil sich das meiste Gas in der dünnen Scheibe befindet, können dort weiterhin neue Sterne entstehen, während die dicke Scheibe nur von den alten Sternen bevölkert wird, und keine jungen mehr nachkommen. Wann dieser Wechsel von einer zu zwei Scheiben im Leben einer Galaxie passiert, hängt von ihrer Masse ab. Je mehr Masse, desto schneller passiert es, denn desto schneller können ausreichend viele Sterne entstehen, die das Gasstabilisieren.

Es gibt vieles, was wir noch nicht über Galaxien wissen; auch über unsere eigene Milchstraße. Galaxien sind eben wirklich langlebige Objekte und wir sehen immer nur einen kurzen Ausschnitt aus ihrem Jahrmilliarden langen Leben. Aber wenn wir genau genug hinschauen, dann können wir Spuren der Vergangenheit finden; Spuren, wie die Aufteilung der Sterne in eine dicke und eine dünne Scheibe. Spuren, die uns zeigen, was vor Milliarden Jahren passiert ist und auch in der Milchstraße passiert sein muss.

Sternengeschichten Folge 684: Die Geschichte des Tierkreis

Wer diesen Podcast regelmäßig hört hat höchstwahrscheinlich absolut kein Problem, alle Planeten des Sonnensystems aufzuzählen. Aber in der allgemeinen Öffentlichkeit ist das etwas, was viele Menschen nicht so ohne Probleme hinbekommen. Was hierzulande aber so gut alle Leute kennen, ist ihr Sternzeichen. Egal ob man an Astrologie glaubt oder nicht: Wir wissen ob wir Löwe, Schütze, Widder oder was auch immer sind. Wir kennen die 12 Sternbilder des Tierkreis, wie man die Gesamtheit der astrologischen Sternzeichen nennt.

Das ist einerseits natürlich ein bisschen tragisch, zumindest aus meiner Sicht als Astronom. Aber andererseits ist es auch irgendwie verständlich, jedenfalls aus historischer Sicht. Denn die Sternzeichen sind älter als die Astronomie. Oder besser gesagt: Die Sternzeichen sind in gewissen Sinne die Grundlage der Astronomie. Und damit will ich nicht einfach nur sagen, dass die Menschen halt früher Astronomie und Astrologie vermischt haben und historisch gesehen beide Disziplinen den selben Ursprung haben. Sondern dass die Entwicklung des Tierkreises ein wichtiger Schritt hin zu dem war, was viel später einmal die moderne Astronomie geworden ist. Und ja, der Tierkreis ist etwas, was entwickelt wurde, als Werkzeug, um den Himmel besser verstehen zu können.

Es lohnt sich also, einen Blick auf die Geschichte des Tierkreises zu werfen und wie er einerseits mit den modernen Sternzeichen zusammenhängt und andererseits mit der Astronomie. Und natürlich muss so eine Geschichte im Rahmen dieser Podcastfolge unvollständig bleiben; denn sie wäre erstens viel zu lang und zweitens kennt auch die Forschung noch längst nicht alle Details.

Aber wir können auf jeden Fall einmal festhalten, dass die Menschen immer schon zum Himmel geschaut und darüber nachgedacht haben, was es dort zu sehen gibt. Wie sollte es auch anders sein: Der Sternenhimmel übt auch heute noch eine enorme Faszination auf uns aus und das war früher noch viel mehr der Fall. Einerseits, weil die Sterne viel besser zu sehen waren. Wenn es Nachts dunkel geworden ist, war es richtig dunkel und zwar überall auf der Welt. Und andererseits war es auch wichtig, die Sterne zu beobachten. Wenn man lange genug und genau genug hinsieht, dann erkennt man Rhythmen in der Bewegung der Punkte am Himmel. Diese Rhythmen kann man nutzen, um einen Überblick über die Zeit zu gewinnen. Man kann dann vorhersagen, wann zum Beispiel der Winter kommt und wann er wieder aufhören wird. Man weiß, wann man die Saat ausbringen und wann man ernten kann. Und so weiter: Wissen dieser Art war früher überlebenswichtig und die einzige Möglichkeit es zu erhalten war der Blick in die Sterne.

Was die Menschen da gesehen und vor allem, was sie sich gedacht haben, lässt sich heute schwer rekonstruieren. Aber es gibt Quellen, die uns ein wenig sagen können. Zu den wichtigsten gehört wahrscheinlich das MUL.APIN und das wäre mindestens eine eigene Folge wert. Es handelt sich dabei um eine Zusammenstellung des babylonischen Wissens über den Himmel. Die ältesten Version die wir auf Keilschrifttafeln gefunden haben, ist über 2500 Jahre alt und es würde viel zu weit führen, über alles zu sprechen, was dort an Wissen zu finden ist. Es gibt Listen mit Sternbildern, mit Namen der Planeten, Regeln zur Berechnung eines Kalenders, Regeln für Schaltjahre, Listen mit Daten für den Auf- und Untergang von Sternen, der Sonne, die Bewegung der Planeten, und so weiter. Für die Geschichte des Tierkreises ist aber vor allem Liste 6 von Teil 1 des MUL.APIN interessant. Dort findet man die "Sternbilder im Mondpfad". Das heißt: Dort sind alle Regionen des Himmels aufgelistet, durch die sich der Mond im Laufe eines Monats bewegt.

Und das war neu. Davor, in der noch älteren Astronomie von Mesopotamien hat man auch Sternkarten gehabt. Man hat den Himmel in Zonen eingeteilt. Man hat den Himmel benutzt, um Kalender zu erstellen und die Landwirtschaft zu organisieren. Aber es gab noch nichts, was den heutigen Sternzeichen ähnelt. Erst in der babylonischen Astronomie hat man die Mondbahn als eine Art Strukturlinie definiert (zumindest ist die babylonische Astronomie die erste, von der wir das wissen). Der Kalender in Babylonien war am Mond und seinen Phasen orientiert, das heißt wenn man einen guten Kalender haben will, muss man auch so gut wie möglich wissen, wie sich der Mond bewegt. Der Mond braucht für eine Runde um die Erde circa 28 Tage, das heißt in diesem Zeitraum bewegt er sich einmal um den Himmel herum. Er durchquert auf seiner Bahn auch immer wieder die selben Sternbilder und deswegen haben diese in der babylonischen Astronomie besondere Bedeutung erlangt.

Die Sterngruppen, durch die der Mond sich regelmäßig bewegt, waren nicht mehr nur Bilder, die mit der Mythologie oder der Religion zu tun haben. Es waren gewissermaßen die Koordinaten entlang einer Himmelskarte. Denn man konnte damals ja nicht so einfach die Position von Himmelsobjekten messen wie heute. Man hatte keine präzisen Messinstrumente, sondern hat dafür die Sternbilder benutzt. Sie waren Referenzpunkte am Himmel, mit denen man entsprechende Zyklen erkennen und Berechnungen durchführen konnte. Im MUL.APIN sind 17 dieser Sternbilder gelistet. Manche davon sind dieselben, die wir auch heute noch so nennen, zum Beispiel der Löwe, der Krebs oder die Zwillinge. Manche haben andere Namen: Was wir heute "Schütze" nennen war damals Pabilsang, eine Gottheit. Zu den 17 Sterngruppen zählen auch welche, die heute keine eigenen Sternbilder sind, wie zum Beispiel die Plejaden oder Sternbilder wie der Orion, die mit den modernen Sternzeichen nichts zu tun haben. Die Hervorhebung der Sternbilder entlang der Bahn des Mondes war noch nicht das, was wir heute den Tierkreis nennen. Aber es war der erste Schritt dazu.

Die 17 Stationen entlang der Mondbahn waren auch nicht alle gleich groß und es waren eben 17 und nicht die 12 Sternbilder im Tierkreis, die wir heute kennen. Aber man hatte nun zumindest schon einmal die Mondbahn als zentrale Strukturlinie am Himmel definiert. Und dann kam das, was die Forschung den "zodiacal turn" nennt ("Zodiak" ist ein anderes Wort für den Tierkreis). Auch hier sind die Details erstens zu umfangreich um sie hier komplett darzustellen und zweitens immer noch Teil der aktuellen historischen Forschung. Aber irgendwann, vor circa 2500 Jahren wurde die Sache mit der Mondbahn standardisiert. Man hat sie in 12 gleich große Abschnitte eingeteilt. Warum es genau 12 sind, ist noch nicht abschließend geklärt. Aber es hat mit Sicherheit damit zu tun, dass es sich dann einfacher rechnen lässt. In der babylonischen Mathematik hat man ein Zahlensystem verwendet, das auf der Zahl 60 basiert. Und 60 lässt sich gut durch 12 teilen. Ein kompletter Kreis, also eine ganze Runde um den Himmel herum, hatte 6 mal 60, also 360 Grad und geteilt durch 12 gibt das Abschnitte zu je 30 Grad. Diese Einteilung ist - aus Sicht der babylonischen Mathematik - einfach und elegant und dann passt das auch noch gut zu der Anzahl an Monaten im Jahr, die zwar nicht exakt 12 beträgt, aber immerhin fast. Mit dieser Einteilung hat man sich auch von den konkreten, an einem bestimmten Ort sichtbaren Sternbildern als Referenz gelöst und eine einheitliche Struktur geschaffen, mit dem man gut rechnen kann. Oder anders gesagt: Der Himmel ist auf einmal berechenbar geworden, dass ist der "mathematical turn", der mit dem "zodiacal turn" einhergegangen ist. Die 12 Abschnitte sind zwar nach Sternbildern am Himmel benannt worden, waren aber eher Recheneinheiten, als konkrete Ansammlungen von Sternen. Der Tierkreis war ein abstraktes Koordinatensystem, der aus der Notwendigkeit entstanden ist, die Mondbewegung irgendwie zu standardisieren.

Damit war einerseits die Grundlage für das geschaffen, was sich im Laufe der Jahrtausende zur modernen Astronomie entwickelt hat, also eine systematische Verfolgung der Bewegung der Himmelskörper und ihre mathematische Beschreibung, mit der man in der Lage war, entsprechende Vorhersagen über zukünftige Position zu treffen und Modelle zu entwickeln, die den Kosmos beschreiben. Andererseits hat man dadurch natürlich auch die Möglichkeit geschaffen, die Astrologie auf eine Art und Weise zu betreiben, wie wir sie heute kennen. Früher hat man - vereinfacht gesagt - den Himmel betrachtet und nach "Omen" gesucht, nach speziellen Ereignissen oder ähnlichen Vorkomnissen. Nun konnte man auch hier konkrete Rechnungen und Vorhersagen machen. Man konnte die Position von Sonne, Mond und der Planeten anhand ihrer Stellung im Tierkreis kategorisieren, ihnen Bedeutungen zuordnen und die Sternzeichen im Tierkreis gewissermassen als Marker für die Identität von Individuen verwenden.

Die Entwicklung des Tierkreises war natürlich nur der Anfang. Was vor 2500 Jahren in Babylonien begonnen hat, hat sich in den Jahrtausenden danach immer weiter entwickelt. Das gilt für die Astrologie und die Erstellung der Horoskope und das gilt auch für die wissenschaftliche Astronomie. Im 2. Jahrhundert vor Christus hat der griechische Astronom Hipparch zum Beispiel entdeckt, dass sich die Ausrichtung der Erdachse im Laufe der Zeit langsam ändert. Über diese Präzession habe ich ja schon in anderen Folgen ausführlich gesprochen, aber dieses Phänomen hat dazu geführt, dass sich die Position der Himmelskörper im Tierkreis verändert. Die klassischen astrologischen Sternzeichen, die damals noch identisch mit den entsprechenden Sternbildern am Himmel waren, sind das heute wegen dieser Verschiebung nicht mehr. Es hat bis in die frühe Neuzeit gedauert, bis Astrologie und Astronomie vollständig entkoppelt waren. Die Referenzlinie aus Babylonien, die der Mond über den Himmel gezogen hat, haben wir heute durch die Ekliptik ersetzt. Das ist die scheinbare Bahn der Sonne am Himmel bzw. die an den Himmel projizierte Bahn der Erde. Sie ist die Referenzebene des Sonnensystems, alle Planeten (und auch der Mond der Erde) bewegen sich mehr oder weniger in dieser Ebene um die Sonne und damit auch mehr oder wenig entlang der Ekliptik über den Himmel. Wir haben die klassischen Sternbildern und die, die danach gekommen sind, standardisiert und im frühen 20. Jahrhundert durch die 88 offiziellen Sternbilder der modernen Astronomie ersetzt. 13 davon werden von der Ekliptik durchquert, aber wir brauchen sie nicht mehr als Referenzpunkte in einem Koordinatensystem, weil wir jede Menge spezielle Systeme entwickelt haben, um die Position von Himmelskörpern anzugeben. Der Tierkreis spielt heute nur noch in der unwissenschaftlichen Astrologie eine Rolle. Aber als er vor 2500 Jahren erfunden wurde, war er der erste Schritt, um ein wenig wissenschaftliche Ordnung in den Himmel zu bekommen. Der Tierkreis war der erste Versuch, die scheinbar unverständliche Bewegung der Himmelskörper zu fassen.Er war der Anfang des großen Abenteuers, das die Astronomie heute ist.