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Kosmologie, einfach

Gerhard Graw1

1Fakultat fur Physik, Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen

Fur Sterne haben sich die Menschen schon immerinteressiert. Sie geben Orientierung im Weglosen,und wirken als Projektionsflache fur Vorstellungen.Mythisches Denken identifizierte Himmelskorper mitGottheiten. Kultische Bedeutung hatte die Bestimmungvon Terminen im Ablauf der Jahreszeiten. Die fruhengriechischen Philosophen sahen in den Gestirnen undin ihrem Bezug zur Welt eine Ordnung, und sprachenvon Kosmos. Das Verstandnis dieser Ordnung, dieKosmologie, gehorte zu den zentralen Themen. In derAuseinandersetzung mit Fragen dieser Art entwickeltesich ihre Kultur des kritischen und rationalen Denkens,den Paradigmen der Naturwissenschaften heute. Dabeikamen auch physikalisch gepragte Ansatze ins Spiel,Vorstellungen entstanden, die Kopernikus und Galileiweiterfuhrten. Heute ist Kosmologie bestimmt durch dieFortschritte in Astronomie und Physik. Naturwissen-schaftlich begrundete Aussagen ergeben ein erstaunlichumfassendes Bild von Zusammenhangen. Dieses zuskizzieren ist Thema dieser Schrift.

Der Zugewinn an Erkenntnissen betrifft das Universumin seiner Gesamtheit wie auch in seinen Konstituenten,den Sternen, Galaxien, Galaxienhaufen und von vielemanderen mehr. Die wesentliche Einsicht ist: Das Univer-sum und seine Objekte unterliegen einem fortlaufendenProzess der Veranderung, Kosmologie beschreibt ein dy-namisches Geschehen. Deswegen erscheint die tradierteUnterscheidung von Kosmogonie und Kosmologie, vonEntstehen und Beschreibung, heute als weniger sinnvoll.Das Universum hatte einen Anfang, vor ungefahr 13,7Milliarden Jahren, und die heutige, unermesslicheVielfalt ging hervor aus einfachsten Strukturen. DerEnergieinhalt des Kosmos war entstanden nahezu ausdem Nichts, in einer extrem kurzen Zeitspanne. Diesgeschah im Wechselspiel mit dem dabei erzeugten Feldder Gravitation, und die Expansion des Raums war Folgedavon. Die Kosmologie ordnet dem Anfang Teilchen undFelder gerade so zu, dass aus ihnen alles das, was wirheute beobachteten, als kausal bedingt folgt. Damit gibtKosmologie Anlass uber die Natur dieser Teilchen undFelder nachzudenken, uber neue Physik. Letztlich wirdes wohl darum gehen, die Physik der Gravitation undder Elementarteilchen in einem einheitlichen Ansatz zuverstehen.

Kosmologie beschreibt die Evolution unserer materiellenUmwelt. Man kann dies in Perspektive setzen zurBiologie und der Evolution des Lebens, und vielleichtauch zu den Geschichtswissenschaften und der Evolution

von Kultur und Wissen. Somit ist Kosmologie Teilwissenschaftlich fundierter Weltanschauung.

Astronomie war eine der sieben freien Kunste, geschutztvon der Muse Urania. Unter diesem Aspekt der allge-meinen Bildung versuche ich hier, uber Kosmologie alsGanzes zu schreiben, aus der Perspekive eines Beobach-ters. Dazu stelle ich mir vor einen Leser mit Interressefur Physik, der zu Zahlen und Formeln jedoch sorgfaltigAbstand halten mochte. So ist der Text gedacht alseine Art Spaziergang durch den Bereich des aktuellenWissens, der grundlegenden Phanomene und ihrerphysikalischen Einordnung. Nicht eingehen werde ich aufaktive Forscher und die damit verbundenen Prioritaten.Entsprechendes gilt fur Gerate und die experimentellenTechniken astronomischer Beobachtungen. Dies ist eineigenes, absolut faszinierendes Gebiet.

Die Entwicklung des Kosmos ist ein physikalischbestimmtes Geschehen. Dieser Sicht entspricht auchdas Forschungsprojekt >Origin and Structure of theUniverse<, zu dem sich in Munchen Kollegen der Ludwig-Maximilians-Universitat, der Technischen-Universitat,der Max-Planck-Institute, und des European-Southern-Observatory verabredet hatten im Rahmen der Exzel-lenzinitiative der Bundesregierung. Ihre Auszeichnungals >Exzellenzcluster<, bereits in der ersten Begutach-tung, wurde gefeiert am 23.1.2007 mit einem Festaktim Deutschen Museum. Astrophysik ist nicht meinFachgebiet, als experimenteller Kernphysiker hatte ichjedoch Beruhrungspunkte. Zu Fragen von nuklearenAstrophysikern konnte ich beitragen mit Messungen amMunchener Tandem-Beschleuniger.

Mit den Gesetzen der Physik werden die Lichtquellen amHimmel zu Objekten ganz unterschiedlicher Große undNatur. Die physikalische Beschreibung vermittelt auchVorstellungen davon, wie diese Objekte entstanden wa-ren und welche weitere Entwicklung sie nehmen werden.Im folgenden Text werden zunachst die verschiedenenkosmologisch relevanten Objekte vorgestellt. Deren Ent-stehen und Verteilung kann man als Strukturbildung imKosmos bezeichnen. Danach wird die Expansion des Kos-mos diskutiert und ihr Einfluss auf die Strukturbildung.Abschließend geht es um Uberlegungen zu einem An-fang, welche die beobachteten Zusammenhange physika-lisch begrunden.

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I. DIE GESCHICHTE VON ERDE UND SONNE

Die zutreffende Beschreibung der Bewegungen vonSonne, Erde und den Planeten begann mit Kopernikus,und seinem Rıuckgriff auf Vorstellungen des Aristarchvon Samos. Immanuel Kant bewunderte, wie Kopernikussich loste von der bloßen Beschreibung von Beobach-tungen, und statt dessen Vorgange in Raum und Zeitgedanklich eindeutig fasste. Davon ausgehend wussteGalilei, wie die fur uns sichtbare, beleuchtet Oberflacheder Venus sich andern sollte in ihrem Umlauf um dieSonne, und genau dies beobachtete er mit seinem neuenFernrohr. Alle unsere Vorstellungen von physikalischerWirklichkeit sind Modelle aus denen sich Erscheinungenableiten lassen. Sie gelten als begrundet soweit ihreVorhersagen stimmen und ein Widerspruch zu ihnennicht beobachtet wurde. Es geht also um Theorien, ausdenen sich Wahrnehmungen deduzieren lassen, die durchBeobachtungen verifiziert werden, und die sich allenAnstrengungen einer Falsifikation widersetzen.

Kepler erkannte, wie die beobachteten Bahnen derPlaneten als Ellipsen mit der Sonne in einem derBrennpunke von der idealen Kreisform abweichen. Erbeschrieb das zeitliche Verhalten wahrend eines Umlaufsin einfacher mathematischer Form, dabei erscheint dasSystem von Sonne, Erde und Planeten als physikalischeEinheit. Damit ist das raum-zeitlichen Verhalten desSystems vollstandig beschrieben. Wir sprechen heutenoch von den Keplerschen Gesetzen. Die physikalischeBegrundung dieser �Gesetze� gelang erst Newton.Der Schlussel war die von ihm erdachte Physik vonBewegungsvorgangen und sein Gesetz der Gravitation.Revolutionar war sein Ansatz, dass Gesetze der Physikauch fur den Bereich der Gestirne, den Kosmos geltensollen. Dies ganzheitliche Denken setzte die Bewegungder Planeten in Bezug zum Fall des Apfels vom Baum.Es war der Beginn der Naturwissenschaften im heutigenSinne.

Inzwischen wissen wir wie vor knapp 5 MilliardenJahren dies System von Sonne, Erde und Planetenentstanden ist: Ausgangssubstanz war das interstellareGas in der Milchstraße, bestehend aus primordialemWasserstoff und Helium, und dazu etwas Gas undStaub aus schwereren chemischen Elementen, in derGroßemnordnung von insgesamt einem Gewichtsprozent.Diese schwereren chemischen Elementen stammen ausfruheren Supernova-Explosionen. Diese sind auch Ursa-che fur die Bewegungen des interstellaren Gases, sodassbei gegenlaufigen Stromungen lokale Verdichtungenentstehen. In diesen wird die Eigengravitation wirksam,die gegenseitige Anziehung im verdichteten Bereich aufGrund der Schwerkraft. Sie verstarkt die anfanglicheVerdichtung bis der sich dabei aufbauende Druck desGases der Schwerkraft das Gleichgewicht halt. Hierbeispielt auch die Temperatur eine Rolle, der Druck desGases ist umso geringer je kleiner die Temperatur ist.

Fur die Bildung eines Sterns wie der Sonne war derAnfangswert bei etwa 30 Kelvin.

Bei Kompression steigt die Temperatur eines Ga-se, wir kennen dies vom warmen Fohnwind oder vomselbstzundenden Dieselmotor. Fur das Fortschreiten dergravitativen Kontraktion unter standiger Zunahme vonDichte und Temperatur ist entscheidend eine ausreichendstarke Abgestrahlung von Warme. Neben dem Staub sindGase wichtig die dies bereits bei niedrigen Temperaturenkonnen, die sogenannten Treibhausgase. Deshalb entste-hen massearme Sterne nur aus Bereichen dichten Gases,das bereits bei tiefen Temperaturen abstrahlt. Bei derEntstehung der Sonne erreichten im zentralen BereichDichte und Temperatur bereits nach wenigen zig Millio-nen Jahren so hohe Werte, dass nukleare Brennprozessezunden konnten. Bedingung fur das Zunden, und damitfur das Entstehen eines Sterns, ist eine Masse von mehrals 8 Prozent der Masse der Sonne.

A. Die Planeten

Warum gibt es die Planeten? Bei der Bildung deranfanglichen Konzentration aus Gas und Staub hattensich einige Teilbereiche des Gases, das aus verschiedenenRichtungen einfallt, eher streifend auf das gemeinsameZentrum hin bewegt. Sie werden von diesem angezogen,sodass Bahnen einander uberschneiden, Ausgleichspro-zesse finden statt. Relativ zum Zentrum ist jeder dieserBahnen ein Drehimpuls zugeordnet. Drehimpuls ist eineErhaltungsgroße der Physik. Das bedeutet, dass beider anschließenden Vermengung und Konzentration desGases unter Abstrahlung von thermischer Energie nurnoch der Summenwert der Drehimpulse der einzelnenTeilbereiche relevant bleibt. Ist dieser Gesamtdrehimpulsklein, dann kann er von der Materie im Zentralbereichgetragen werden, ist er jedoch groß, so muss ein Teilder Materie in großem Abstand um das Zentrum laufen.Parallel zur Achse des Gesamtdrehimpuls steht einerKompression der Gas-Staubwolke nichts im Wege, sodasseine flache, um ihre Achse rotierende Scheibe entstand.Man sollte jedoch sehen, dass diese protostellare Scheibesich ganz wesentlich von der Rotation einer starren Dis-kusscheibe unterscheidet, da die sonnennahen Bereichesich wesentlich schneller drehen als die sonnenfernen.Dies ist auch die Aussage des dritten KeplerschenGesetzes.

Wichtig sind die Wechselwirkungen zwischen benachbar-ten Bereichen. Zu diesen konnen beitragen gravitativeAnziehung, dissipative Prozesse (Reibung) oder tur-bulente Stromungen, diese bestimmen die Bewegungenin radialer Richtung. Diese Wechselwirkungen bremsenjeweils die inneren und deshalb schnelleren Bereicheund beschleunigen die langsameren außeren. So werdenetwa aus zwei benachbarten Keplerschen Kreisbahnenzwei Keplersche Ellipsen: Bereiche, die Energie verloren

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haben, bewegen sich auf das Zentrum hin, und solche,die Energie gewonnen haben, bewegen sich vom Zen-trum nach außen. Dass bedeutet, dass der Drehimpulszunehmend nach außen getragen wird. Finden Prozessedieser Art wiederholt mit großen Impulsubertragenstatt, so folgt eine weitgehende Umordnung des Systems.Hat man es mit kleinen Impulsubertragen zu tun, sowirken diese wie Reibung, und die eben beschriebenenelliptischen Bahnen passen sich an die Bewegung ihresneuen Umfelds an. Dabei nahern sie sich wieder derKreisform, allerdings nun mit großeren Unterschieden imDurchmesser. Die freigesetzte Reibungsenergie zeigt sichin einer Erhohung der Temperatur, diese entspricht derfreigesetzten Gravitationsenergie bei der Trennung derbenachbarter Kreisbahnen. Eine vielfache Wiederholungvon Prozessen diese Art erzwingt Bewegungen auf dasZentrum hin, verbunden mit Bewegungen weg vomZentrum. Die Dynamik des Prozesses, der Materief-luss zum Zentrum hin, zeigt sich in der freigesetztenWarmeenergie. Astronomen bezeichnen diesen Vorgangals Akkretion. Die Starke der dissipativen Wechselwir-kungen ergibt sich aus der Dynamik des Ablaufs.

Magnetische Felder spielen hier eine wichtige Rolle:Wann immer Medien aneinander streifen, werden Elek-tronen ubertragen. Unterscheiden sich die Medien inihrer Temperatur oder stofflicher Zusammensetzung, soist dabei eine Richtung bevorzugt und es entstehen be-wegte, elektrisch geladene Bereiche, und als Folge davonmagnetische Felder. Bei entsprechend hoher Temperatursind die Medien elektrisch leitend, Induktion verstarktdie elektrischen Strome und magnetischen Felder. Diesfolgt dem Prinzip des Dynamos, die Energie von Be-wegungen wird gewandelt in die Energie magnetischerFelder. Induktionsvorgange bestimmen das Geschehen.

Dabei ist wichtig, dass wegen der zumeist sehr geringenDichte die elektrischen Widerstande extrem niedrig sindund deswegen die magnetischen Felder entsprechend langbestehen bleiben, fast wie bei einem Supraleiter. Es liegtin der Natur des Induktionsgesetzes, dass Magnetfelderund die sie erzeugenden elektrischen Strome an dasMedium gebunden sind und dessen Bewegungen folgen.Beim Akkretionsprozess wirken Magnetfelder auf dieelektrischen Strome benachbarter Bereiche und erzeugendabei starke Krafte, die wie Reibungskrafte erscheinen.In der fruhen Entwicklungsphase eines Sterns ist dieLichtemission auf Grund der freigesetzten Energie imAkkretionsprozess starker als die auf Grund eines bereitsbeginnnenden nuklearen Brennens. Dies bedeutet, dassman einerim Zentrum hell strahlenden zirkumstellarenScheibe nicht ansieht, ob sich dahinter ein Stern verbirgtoder ein zukunftiger Brauner Zwerg. Braune Zwergehaben Massen von weniger als 8 Prozent der Sonne,zum nuklearen Brennen ist dies nicht genug. Sie strah-len mit abnehmender Temperatur ihren anfanglichenEnergievorrat ab, deswegen der Name. Erst in jungsterZeit sind sie in großerer Zahl nachgewiesen worden.

Generell gilt, dass leichte Sterne haufiger sind alsschwere. Wie sich dies in den Massenbereich der Brau-nen Zwerge hin fortsetzt, ist eine der spannenden Fragen.

Aus der zirkumstellaren Scheibe der Sonne nahm imZentrum der Vorlaufer der Sonne durch Akkretionweitere Materie auf, und außen differenzierten sich dieVorlaufer der Planeten. Die Planetenbildung erforderteniedrige Temperaturen, sodass der Anteil von Staubund Eis zur Wirkung kommen konnte: Durch Krafte derAdhasion klumpte dieser relativ schnell zu Objekten mitDurchmessern von bis zu einem Kilometer, man sprichtvon Planetesimalen. Aus diesen bildeten sich unter demEinfluss der Gravitation großere Einheiten bis hin zu denVorlaufern der Planeten, oder es verblieb bei kleinerenObjekten, die sich in Ringen ordneten, ahnlich denendes Saturn.

Das Entstehen von Planeten ist ursachlich verbundenmit der Existenz von Staub. Dies bedeutet auch, dassdiejenigen chemischen Elemente, die bereits bei hohenTemperaturen kondensieren, weniger gut das Zentrum,die Sonne, erreicht hatten. Sie wurden durch die Bildungder Planeten abgefangen. Dies zeigt der Vergleichmit Sternen, die der Sonne ahnlich sind, jedoch keinePlaneten haben. Bei diesen finden wir diese Elementeetwa 20 Prozent haufiger als bei der Sonne.

In einigen Bereichen jenseits des Mars war die Bildungstabiler Planeten unterblieben. Vielmehr ordneten sichdort kleinere Objekte so, dass sie sich in ihrer Bewegungauf Keplerbahnen gegenseitig nur wenig storten, siebildeten Gurtel. Zwischen Mars und Jupiter gibt es densogenannten Hauptgurtel. Dessen Objekte, Asteroidenoder Planetoiden genannt, haben ganz unterschiedlicheGroßen. Mit Durchmessern von mehr als einem Kilome-ter gibt es Millionen davon, einzelne Objekte erreichenDurchmesser von fast tausend Kilometern. Ihr Anteilan Eis ist zum Teil abgeschmolzen, entsprechend ihremAbstand zur Sonne.

Jenseits von Neptun folgt der Kuipergurtel. Von denStaub-Eis Objekten dort haben knapp Hunderttausendeinen Durchmesser großer als Hundert Kilometer. Wer-den solche Objekte durch Stoße fragmentiert oder ausihrer Bahn geworfen, und erreichen sie infolgedessen,auf einer stark exzentrischen Bahn, den Bereich naheder Sonne, so bezeichnet man sie als Kometen. Hulleund Schweif entstehen durch Verdampfen des Eisesim Sonnenlicht. Sie werden sichtbar durch den dabeimit freigesetzten Staub, der das Licht reflektiert. Mitjedem Lauf um die Sonne verlieren Kometen an Masse,entsprechend andern sie ihre Bahn und ihre Oberflache.Einschlage von Kometen auf die Erde hatten katastro-phale Folgen. Im Jahrestakt durchquert die Erde denBereich eines Kometenschweifs, dann bewirkt der Staubim Schweif in der Erdatmosphare lokale Erhitzungen,die wir als Sternschnuppen bewundern.

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Das heute relativ geordnet erscheinende System vonPlaneten und Gurteln entstand durch die wiederholteWechselwirkungen einzelner Bereiche der anfanglichenGas-Staub Wolke. Bewegungsenergie wurde gewandelt inWarme und dann abgestrahlt. Als Ergebnis beobachtenwir Keplerbahnen mit einheitlichem Drehsinn in einerEbene, der Ekliptik. Fur die anfanglichen Bereicheweiter außen jedoch war die Durchmischung wesentlichschwacher. Deswegen zeigt dieser aussere Bereich, bis zueinem Abstand von etwa einem Lichtjahr, nur Objektein einer spharischen Verteilung. Deren Große entsprichtder von Planetoiden. Man spricht von der OortschenWolke. Aus dieser stammen diejenigen Kometen, die nuralle paar Tausend Jahre das Innere des Sonnensystemerreichen und so beobachtbar werden. Die OortscheWolke unterliegt zwar noch der Anziehung durch dieSonne, jedoch ist der Einfluss benachbarter Sternedeutlich.

Die Strahlungswarme der Sonne und der solare Wind- das ist der eruptive Ausstoß heißer Materie aus derSonne - haben langst alle Reste der anfanglichen Gas-Staubwolke in den interstellaren Raum verweht. Heutehindert der solare Wind das interstellare Gas daran,in den planetaren Bereich einzudringen, sodass einBereich mit einem Radius von etwa hundert Erd-Sonne-Abstanden vergleichsweise frei ist von interstellaremGas. Die Grenze (der >termination shock<) wurdeim Jahre 2005 erstmals von der Raumsonde Voyagerpassiert.

Entscheidend fur das Entstehen unseres Planetensystemswar die Ausbildung einer Scheibe von Gas und Staub. Ei-ne vergleichbare Situation kann man am Sudhimmel imSternbild Beta Pictoris in nur 63 Lichtjahren Entfernungbeobachten. In diesem Bereich aktiver Sternentstehungzeigt sich Akkretion in unterschiedlichen Stadien. Trifftviel Material auf das Zentrum, so entstehen Jets. Indiesen wird auf Grund magnetischer Wechselwirkungenein Teil der Materie langs der Achse des Gesamtdrehim-pulses wieder abgestoßen. Die Jets tragen beachtlichekinetische Energie. Diese stammt aus der freigesetztenGravitationsenergie des insgesammt vom Zentrum ange-zogenen Materials. Durch magnetische Wechselwirkungwird sie auf einen Teilbereich des Materials ubertragen,welches den Jet bildet. Somit stellt die Bildung von Jetseine Alternative dar zur thermischen Abstrahlung.

Fur die Sternentstehung aus einem System mit betracht-lichem Gesamtdrehimpuls erzwingt Drehimpulserhaltungdie Bildung von mehr als einem Objekt: Denkt mansich als Ausgangspunkt eine Akkretionsscheibe, so istin dieser mit der beginnenden Bildung von Planetendie Symmetrie des Gravitationsfelds gebrochen, die vonden Planeten erzeugten zusatzlichen Gravitationsfelderbeeinflussen die Bahnen und deren sich schliesslicheinstellende Ordnung. Planeten und sonstige Objekte er-

fahren das Gravitationsfeld als sich periodisch andernd.Geschieht dies im Takt mit dem Umlauf, so tretenResonanzeffekte auf, und die Bahn wird instabil. Infolgedessen kann er anderen Planeten nahe kommen, und diedaraus resultierenden Ablenkungen konnen bewirken,dass einer in entfernte Bereiche entschwindet und derandere von Sonne verschluckt wird. Effekte dieser Artbestimmen die aktuelle Ordnung der Planeten. DieBildung von Planeten und Doppelsternsystemen, unddie Frage, ob letztere Planeten haben, sind Fragen deraktuellen Forschung.

Das Studium der planetaren Begleiter von Sternen wirdzu einem der ganz großen Forschungsziele. So hat manfur einem Stern bereits sechs zugehorige Planeten iden-tifiziert. Zur Beobachtung wurden bisher drei Effekte ge-nutzt: Der Stern und die Planeten bewegen sich um ihrengemeinsamen Schwerpunkt, sodass sich die Position desSterns periodisch andert; ein Planet schattet das Lichtdes Stern kurzzeitig ab; ein Planet andert das spharischeGravitationsfeld eines Sterns, und somit dessen Eigen-schaft als Gravitationslinse. Schwere Planeten sind leich-ter aufzuspuren. Es zeichnet sich ab, dass sehr viele Ster-ne planetare Begleiter haben. Letztendlich geht es beider Exoplaneten-Forschung darum, ob Leben, in welcherForm auch immer, ausserhalb der Erde existieren kann.

B. Erde und Mond

Der Mond entstand, als die Erde noch keine 100Millionen Jahre alt war, durch den Aufprall einesplanetenartigen Korpers. Der Stoß war streifend und dieDrehachse der Erde wurde dabei kraftig verruckt. Des-wegen haben wir statt ewigen Fruhlings die wechselndenJahreszeiten. Das explosionsartig verstreute Materialdes Himmelskorpers fiel zum großeren Teil auf die Erdezuruck, ein Rest verblieb als eine Art von planetarerScheibe, aus der sich bald der Mond herausbildete. Soversteht man, dass das Material der außeren Erdkrustesich von dem des Erdkerns unterscheidet, jedoch nurwenig von dem des Mondes.

Die junge Erde hatte wegen der anfanglich sehr hohenTemperaturen alle leicht fluchtigen Stoffe verloren.Was wir heute davon auf der Erde finden, Stickstoff,Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasser, wurde erst spaterfreigesetzt. Dabei ist offen, was mineralischen Ursprungsist und was von Kometen stammen konnte. Als diejetzige Ordnung des Systems von Planeten und Pla-netesimalen noch weniger regular war, stand die Erdeunter einem massivem Bombardement von Kometen, diegenug vereistes Wasser enthielten, um damit die Ozeanezu fullen. Diese Phase sollte vor etwa 3,8 MilliardenJahren geendet haben.

Die dargelegte Geschichte der Entstehung impliziert, dassalle Materie der Erde bereits vor der Bildung des Sonnen-

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systems vorhanden war. Wegen des Verlusts der fluchti-gen Stoffe in der Fruhzeit ist der Anteil leichter Elementejedoch stark reduziert. Im Laufe der Abkuhlung und derVerfestigung der Erdkruste hatten sich die Elemente sogeschichtet, sodass wir von den schweren Atomen, insbe-sondere vom Eisen im Erdkern, nur wenig merken.

C. Energietransport in der Sonne

Die Warme, der wir unsere Existenz verdanken, liefertdie Sonne seit 4,5 Milliarden Jahren, und dies wird nochweitere 5 Milliarden Jahre so andauern. Diese Energiewird erzeugt im Innern der Sonne durch nuklearesBrennen. Bei einer Temperatur von etwas mehr als15 Millionen Grad hat sich dort ein Gleichgewichteingestellt von Druck und Gravitation, und auch vonEnergieerzeugung und Energietransport nach außen.Die Energieerzeugung nimmt mit dem Abstand vomZentrum ab. Etwa 90 Prozent der Energie wird in deninneren 20 Prozent des Sonnendurchmessers erzeugt, indiesem befindet sich 40 Prozent der Masse, (und 60 Pro-zent der Energie innerhalb der innersten 10 Prozent derMasse). Die Temperatur der Sonne fallt zur Oberflachehin ab. Von dieser aus strahlt sie bei einer Temperaturvon 5800 Grad Kelvin. Unser Auge ist empfindlichfur diese Art von Strahlung, dementsprechend wirdsie als sichtbares Licht bezeichnet. Der Transport derWarmeenergie zur Oberflache braucht lange, als typischeZeit werden Zahlen von bis zu Millionen Jahre genannt.Im inneren Bereich erfolgt sie allein durch Strahlung imheißen Medium. Aufgrund vielfacher Streuung ist diesder zeitbestimmende, langsame Prozess. Im Bereich derletzten 20 Prozent des Weges zur Oberflache hin wirddie Konvektion entscheidend. Die Konvektion beginntbei 2 Millionen Grad. Nun ist der Transport von Warmeverbunden mit dem Transport von Materie, diese steigtin sich lokal bildenden Kreislaufen auf und ab. An derOberflache erscheinen die Stromungszellen sehr eng, sieandern sich fortlaufend, wir sehen wabenartige Muster:In den Zentren der Waben die heisse, aufsteigendeMaterie, und an deren Randern die abgekuhlte, zuruck-fließende.

Die Sonne rotiert im gleichen Sinn wie die Planeten.Am Aquator sehen wir eine Umlaufperiode von etwa 25Tagen, nahe der Pole jedoch von 36 Tagen. SeismischeUntersuchungen zeigen, dass der innere Strahlungsbe-reich mit einer Periode von 27 Tagen gleichformig rotiert.Der Ubergang zu der differentiellen Rotation erfolgt iminnersten Bereich der Konvektionzone, der sogenanntenTachocline. Differentielle Rotation beobachtet man auchan Gasplaneten wie Jupiter und Saturn. Sie hat zurFolge, dass der Drehimpuls verstarkt von den achsen-fernen Bereichen getragen wird. Als Ursache gilt diethermische Bewegung von freien Teilchen. Je nach Bewe-gungsrichtung ist deren Drehimpuls unterschiedlich, unddamit auch die Zentrifugalkraft. Daraus folgt die radiale

Trennung freier Teilchen nach ihren Drehimpulsen.

Der Bereich der Tachocline gilt als Quelle eines dipolarenMagnetfelds. Dies Feld der Sonne hat an der Oberflacheeine Starke vergleichbar dem Erdfeld, wechselt jedochalle 11 Jahre seine Richtung. Um bis zu 4 Großenord-nungen starker sind lokale Magnetfelder, die wir in denBereichen der dunklen Sonnenflecken beobachten.

Sonnenflecken bilden sich in Zeiten verstarkter Strah-lungsintensitat der Sonne, auf Grund einer dannentsprechend wirkungsvolleren Konvektion. Die Haufig-keit ihres Auftretens ist verbunden mit dem Wechselder Polaritat des solaren magnetischen Dipolfelds,dementsprechend zeigt sie alle 11 Jahre ein Maximum.Synchron andert sich die auf der Erde gemessenegemittelte Strahlungsintensitat der Sonne, mit einerAmplitude von einem halben Promille.

Sonnenflecken entstehen auf Grund der differentiellenRotation. So werden die in Richtung der Rotationsachseerzeugten Feldlinien in aquatorialer Richtung verzerrt,“aufgewickelt“. Bei der Bewegung des Felds im elek-trisch gut leitenden Medium ist der magnetische Flussin relativ engen Schlauchen konzentriert. Im weiterenVerlauf werden Teilbereiche dieser Schlauche an dieOberflache gedruckt, bis sie aus dieser in einer Schleifeheraustreten. Die Starke ihres magnetischen Feldesbehindern die Konvektion, sodass ihre entsprechendenEin- und Austrittsbereiche an der Oberflache um etwaTausend Grad kalter sind. Dies sehen wir als Sonnen-flecken. Die Orte, an denen Sonnenflecken auftreten, sindzufallsbedingt, jedoch sind die Wahrscheinlichkeit ihresAuftretens und ihre Entwicklung verknupft mit demZyklus der Sonne. Sie zeigen nordlich und sudlich desAquators charakteristische Unterschiede. Sonnenfleckenkonnen rasch verschwinden, aber auch uber Monate an-wachsen zu Bereichen viel großer als ein Erddurchmesser.

Mit den konvektiven Stromungen des heissen, ionisiertenMaterials, und insbesondere mit der differentiellen Ro-tation, sind lokale Magnetfelder verbunden, die von die-sen bewegt werden. Interessant wird es, wenn unabhangigvoneinander entstandene Magnetfelder an der Oberflachezusammenkommen. Falls sie Orientierungen haben, dieenergetisch ungunstig sind, mussen die Stromungen da-zu Krafte ausuben. Darauf reagieren die Magnetfelder,und die mit ihnen verbundenen elektrischen Strome, in-dem sie energetisch gunstigere Ordnungen einnehmen.Dies erfolgt spontan, so wie ein senkrecht stehender Blei-stift spontan aus dem labilen in das stabile Gleichgewichtkippt: Werden entgegengesetzt orientierte Magnetfelderzur Beruhrung gezwungen, so schliessen sie sich kurz. Da-bei schließt sich ein magnetischer Fluss ausserhalb derOberflache zu einem Ring, der mitsammt seinem Plasmavon der Oberflache abgestoßen wird. Man spricht von ma-gnetischer Neuverbindung (Rekonnexion). Die Rekonne-xionen konnen in benachbarten Bereichen die Schwellen

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zur Annaherung solcher Felder absenken, sodass Umord-nungen große Bereiche erfassen und insgesammt erheb-liche Energien freisetzen. Vorgange dieser Art gelten alsUrsache fur die Eruptionen (Flares) und Protuberanzen,die wir auf der Sonnenoberflache sehen, und fur den sola-ren Wind, den Ausstoß ionisierter Atmosphare. Indukti-onsvorgange in den Flares beschleunigen Elektronen aufhohe Energien. Wir sehen deren Strahlung auch im Ront-genbereich. Starke eruptive Ausbruche solaren Winds be-einflussen die Atmosphare der Erde, ohne Schutz durchdas Erdmagnetfeld ware ihre Strahlung todlich. Der sola-re Wind wird von Satelliten analysiert, daher kennen wirdie Atmosphare der Sonne auch bezuglich der Isotope.Das Plasma des solaren Winds treibt das interplanetareGas hinaus, bis sich am “termination shock“ ein Gleich-gewicht einstellt.

D. Nukleares Brennen

Das nukleare Brennen in der Sonne wandelt Atomedes Wasserstoffs in Helium. Dies geschieht in einemmehrstufigem Prozess von Kernreaktionen. Die Bindungim Atomkern des Heliums ist stark: Die Masse der He-liumatome ist um 0,7 Prozent kleiner als die Masse dervier Wasserstoffatome, aus denen diese gebildet wurden.Die Differenz entspricht der freigesetzten Warmeenergie.Im Vergleich zu chemischen Reaktionen ist sie riesig,mehr als eine Million mal großer. Sie ist Folge einer fun-damentalen Kraft, der Starken Wechselwirkung, welchenur im kurzen Bereich nuklearer Abstande wirksam ist.

Das Endprodukt dieser nuklearen Reaktionen, der Heli-umkern, besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen.Diese im Kern gebundenen Neutronen sind im Ablaufder Reaktionskette entstanden. Dazu mussten sich je-weils ein Proton und ein Elektron in ein Neutron und einNeutrino wandeln. Neutrinos sind elementare Teilchen,vergleichbar dem Elektron, jedoch ohne dessen elektri-sche Ladung und mit einer Masse, die sehr viel kleinerist. Als nahezu masselose Teilchen ahneln sie den Licht-quanten und bewegen sich mit einer Geschwindigkeit,die sich von der des Lichts praktisch nicht unterschei-det. Ihre Energie hangt ab von der Energiebilanz beider Erzeugung und kann betrachtlich sein. Die Umwand-lung eines Elektrons in ein Neutrino und eines Protonsin ein Neutron ist ein Prozess der Schwachen Wechsel-wirkung, einer weiteren fundamentalen Kraft. Nur diesekann Eigenschaften eines Teilchens auf ein anderes ubert-ragen. Die Anzahl der Teilchen bleibt erhalten, es andertsich nur die Zuordnung von Eigenschaften. Diese Schwa-che Wechselwirkung hat eine extrem kurze Reichweite.Dementsprechend sind bei niederen Energien Reaktio-nen auf Grund dieser Wechselwirkung sehr selten, dar-um auch die Bezeichnung Schwach. Neutrinos unterlie-gen neben der Gravitation nur der Schwachen Wechsel-wirkung, dashalb durchdringen sie großte Materieschich-ten. Dabei ist die Wahrscheinlichkeit fur den Stoß eines

Neutrinos mit Materie, einem gebundenem Elektron et-wa, extrem gering. So sind riesige Detektoranlagen ge-baut worden, um in jahrelangem Betrieb zumindest einekleine Zahl solcher Stoßprozesse nachzuweisen, obwohldie Zahl der Neutrinos, die den Detektor passieren, riesigist. Durch Messungen dieser Art sind unsere Vorstellun-gen von den Vorgangen im innersten Kern der Sonne imDetail bestatigt worden. Ein Pionier dieser Physik warRaymond Davis Jr. (Nobelpreis 2002). Die in Detektorennachgewiesen Neutrinos waren jeweils erst 8 Minuten zu-vor in der Sonne entstanden. Die erzeugte Warme hin-gegen brauchte hunderttausende von Jahren um vom In-nern an die Oberflache zu gelangen. Von dort aus erreichtsie uns dann, in Form von sichtbarem Licht, in ebenfalls 8Minuten. Ware die Schwache Wechselwirkung nur etwasstarker, ware die Reaktionsrate im Brennprozess großer,und alles Leben auf der Erde versengt.

E. Fraunhofers Linien

Die Zusammensetzung der ursprunglichen Gas-Staubwolke zeigt uns die außere Atmosphare derSonne. Diese ist vom nuklearen Brennprozess im Innernnicht beeinflusst. Die erste Beobachtung gelang 1813Joseph Fraunhofer in Benediktbeuern. Er analysiertemit einem Prisma und einer Anordnung von besondersguten Linsen das Licht der Sonne. Dabei sah er nichtnur das Spektrum des Regenbogens, sondern darinsehr enge Bereiche, sogenannte Linien, die weniger hellsind. Licht mit dem Spektrum des Regenbogens wirdvon jedem genugend heißen Korper erzeugt. In diesemsieht man Linien von der beobachteten Art falls sichzwischen Lichtquelle und Beobachter freie Atome oderMolekule befinden. Sie absorbieren das Licht bestimmterWellenlangen, die fur die Substanz charakteristisch sind.Chemiker nutzen diese Eigenschaft zur Identifikation vonStoffen. Mittlerweile versteht man es, aus FraunhofersLinien im Sonnenlicht quantitative Information uber dieZusammensetzung der außeren Sonnenatmosphare zuermitteln. In diese Analyse gehen naturlich Kenntnisseein uber die Dynamik der Sonne. Die Hulle der Sonnebesteht, nach Gewichtsanteilen, zu 75 Prozent ausWasserstoff und zu 24 Prozent aus Helium. Alle weiterenElemente machen nur etwas mehr als 1 Prozent aus.Dieses eine Prozent stammt aus dem im Gas der Sonnegesammelten Material von vorausgegangenen Supernova-Explosionen, Wasserstoff und Helium hingegen waren>immer schon< da. Wir werden das noch besprechen.Deutlich weniger schwere Element zeigen Sterne, d.h.Sonnen, die viel alter sind. Sie stammen aus Zeiten, indenen das interstellare Gas noch weniger stark durchSupernova-Produkte angereichert war.

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II. DIE MILCHSTRASSE, GALAXIEN

Unsere Sonne ist ein Stern unter anderen Sternen. Esgibt Sterne mit großerer Masse, bei denen sind Dichteund Temperatur im Innern großer. Sie brennen schnellerund strahlen wahrend dieser Zeit entsprechend heller,im blaulichen Licht. Leichtere Sterne sind langlebigerund leuchten schwacher, und rotlich.

Der uns am hellsten erscheinende Stern ist Sirius. Deruns nachste Stern ist der erst 1913 beobachtete Proxi-ma Centauri am Sudhimmel, in einer Entfernung von 4Lichtjahren, in der Nachbarschaft von Alpha Centauri,dem dritthellsten Stern. Mit unbewaffnetem Auge siehtman am nachtlichen Himmel 3000 bis 6000 Sterne undals bandformige Aufhellung die Milchstraße. Mit demFernrohr beobachteten 1609 Galileo Galilei und ande-re erstmals, dass sich die Milchstraße in eine Vielzahleinzelner Sterne auflost. Bekannt ist in der Alten Pina-kothek das Bild von Adam Elsheimer, das er noch imgleichen Jahr in Rom malte: Er stellt, in kunstlerischerFreiheit, die Milchstraße dar als Haufung von Einzelster-nen. Auf Grund von Sternzahlungen erkannte WilhelmHerschel 1785 die Scheibenform der Galaxis. Von dieserInformation begeistert, folgerte Immanuel Kant, dass diemit astronomischen Fernrohren zu erkennenden elliptischoder kreisformig, neblig erscheinenden Objekte am Him-mel Galaxien seien, ahnlich unserer Milchstraße. Inzwi-schen weiß man auch, dass alle 6000 einfach sichtbarenSterne zur Milchstraße gehoren.

A. Struktur der Milchstraße

Entsprechend der Einsicht von Immanuel Kant orien-tierte man sich zum Verstandnis der Milchstraße, derGalaxis, lange Zeit an den Eigenschaften der anderenGalaxien, die man unter verschiedenen Blickwinkeln vonaußen sehen kann. So wie die Sonne ein Stern ist untervielen, so ist unsere Galaxis eine unter vielen Galaxien.Es gibt großere und kleinere, wobei unsere eher großist. Die galaktische Scheibe hat einen Durchmesser von100.000 Lichtjahren. Im Zentrum ist sie ausgebaucht,diesen Bereich bezeichnet man als Bulge. In der Milch-straße geht der Bulge in eine Balkenstruktur uber,dies ist eine eher spezielle Eigenschaft unserer Galaxie.Die Dichte der Sterne in der Scheibe nimmt mit demAbstand vom Zentrum stark ab, auch ist sie weiteraußen mit einer Dicke von 3.000 Lichtjahren wesentlichflacher. Die Scheibe rotiert mit einer Geschwindigkeitvon etwas uber 200 km/sec um das galaktische Zentrum.Die Bewegungen von Sternen oder von Teilbereichenrelativ dazu ist um eine Großenordnung kleiner.

Unsere Galaxis besteht aus etwa 200 Milliarden Sternenund aus interstellarem Gas und Staub. In der Scheibefinden wir Sterne jeglichen Alters, im zentralen Bereichhingegen sind alle Sterne sehr alt, auch gibt es dort

kaum Gas, sodass Sternentstehung nur noch in denmehr ausseren Bereichen erfolgt, insbesondere in denSpiralarmen der Scheibe. In der Galaxis ubertrifft dieMasse der Sterne die des noch vorhandenen interstellarenGases um mehr als einen Faktor 5.

Analysiert man nur die Leuchtkraft, so zeigt diese in ei-nigem Abstand vom Zentrum die Form von Spiralarmen.Diese auffallige Verteilung der Leuchtkraft beruht aufdem Beitrag weniger, schnell brennender und deshalbstarker leuchtender Sterne. Dies jungen Sterne zeigeneinen hohen Anteil schwerer Elemente. Betrachtet manjedoch, unabhangig von der Leuchtkraft die Verteilungaller Sterne in der Galaxis, so verschwindet die Strukturder Spirale.

Zur Galaxis gehort ein sie umgebender, kugelformigerAußenbereich von etwa 160.000 Lichtjahren Durch-messer, der so genannte Halo. In diesem gibt es alteSterne und Gas sehr geringer Dichte. Innerhalb dieserSphare kennt man etwa 200 Kugelsternhaufen. Diessind gravitativ gebundene Ansammlungen von typischjeweils einer Million Sternen. Diese sind vergleichbaralt wie die alten Sterne im Bulge. Die hohe und relativeinheitliche Anzahl von Sternen in den Kugelsternhaufenerklart man so, dass in sehr fruher Zeit der Vorlauferder Galaxis mit anderen Systemen kollidierte, sodasseine Starburst-Situation entstand. Dabei berlebten vonden Kugelsternhaufen nur die großen. Diese Kugelstern-haufen laufen auf gestreckten elliptischen Bahnen umdas galaktische Zentrum, ohne dabei einer einheitlichenRichtung zu folgen. Anders als die galaktische Scheibeist der Halo weitgehend frei von Staub.

Im Ubergang von der Scheibe zum Halo gibt es noch denBereich der sogenannten dicken Scheibe, die sich von derbisher besprochenen dunnen Scheibe unterscheidet. Siebesteht aus vorwiegend alten Sternen auf exzentrischenBahnen, deshalb erscheint ihre Rotationgeschwindigkeitum das Zentrum als etwas langsamer. Die Spiralgalaxieist vergleichbar einer fruhen planetarischen Scheibe, alsFolge von Wechselwirkungen migrieren die Sterne, derRadius ihrer Kreisbewegungen andert sich mit der Zeit.Dabei entweichen auch Sterne aus der dunnen in die dickeScheibe.

B. Die Sonne in der Milchstraße

Die Sonne umkreist das Zentrum des Milchstraßensy-stems in einem Abstand von etwa 25.000 Lichtjahren.Sie befindet sich etwa 15 Lichtjahre nordlich der Mit-telebene der galaktischen Scheibe, innerhalb des Orion-Arms, in einem weitgehend staubfreien Raumgebiet, derLokalen Blase. Fur einen Umlauf um das Zentrum derGalaxis, das sog. Galaktische Jahr, benotigt die Sonneungefahr 230 Millionen Jahre, was einer Umlaufgeschwin-digkeit von etwa 220 km/s entspricht.

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C. Das nahere Umfeld der Milchstraße

Um das Milchstraßensystem herum gibt es Zwerggalaxi-en und irregulare Galaxien. Die bekanntesten davon sinddie Große und die Kleine Magellansche Wolke, mit denendie Milchstraße uber eine etwa 300.000 Lichtjahre langeBrucke aus Wasserstoffgas, den Magellanschen Strom,verbunden ist. Die am nachsten gelegene Zwerggalaxieist der Canis-Major-Zwerg, mit einer Entfernung vonnur 42.000 Lichtjahren vom Zentrum der Milchstraßeund 25.000 Lichtjahren von unserem Sonnensystem.Diese Zwerggalaxie wird von den Gezeitenkraften derMilchstraße auseinandergerissen und wird ihr baldeinverleibt sein. Ahnlich verlaufen die Prozesse bei der50.000 Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entferntenSagittarius-Zwerggalaxie. Auf diese Weise wird dieMasse der Milchstraße weiter anwachsen.

Mit zwei weiteren Spiral-Galaxien, dem Andromeda-Nebel, 2,5 Millionen Lichtjahren entfernt, und dem Drei-ecksnebel, 3 Millionen Lichtjahren entfernt, sowie einigenkleineren Galaxien, bildet die Milchstraße die sog. LokaleGruppe. Sie ist Bestandteil des Virgo-Superhaufens, undstrebt mit anderen Großstrukturen dem Großen Attrak-tor entgegen. Die Andromeda-Galaxie ist mit unserer Ga-laxis vergleichbar. Sie ist jedoch etwas ausgedehnter undhat etwa 3 mal mehr Sterne. Der Dreiecksnebel hinge-gen ist deutlich kleiner. Beobachtungen und Computer-Simulationen zeigen, dass die Andromeda-Galaxie unddie Milchstraße auf Kollisionskurs liegen. Sie nahern sichmit einer Geschwindigkeit von ca. 200 km/s und werdenin einigen Milliarden Jahren einander durchdringen undso zu einem entsprechend großeren Sternensystem ver-schmelzen. Eine weitere Galaxie im Nahbereich ist Cen-taurus A am Sudhimmel. Sie ist die nachstgelegene el-liptische Galaxie und strahlt besonders hell im gesamtenBereich des elektromagnetischen Spektrums.

III. SUPERNOVAE

Fur die moderne Astronomie erwies sich der 24. Februar1987 als wichtiges Datum. Ein bis dahin wenig auffalligerStern in der Großen Magellanschen Wolke, 170.000 Licht-jahre entfernt, leuchtete zunehmend heller auf, strahlteim Mai fast so hell wie der Polarstern und wurde dannwieder schwacher. Heute sieht man eine expandierende,leuchtenden Wolke. Man spricht von einer Supernova.Seit 1604, als Kepler und Galilei einen an Helligkeit alleanderen Fixsterne ubertreffenden Stern sahen, war diesdas am starksten erscheinende Aufstrahlen eines Sterns.Nur Tycho Brahe hatte 1572 eine noch hellere Erschei-nung beobachtet. In beiden Fallen waren dies Sterne inder Galaxis, die großere Helligkeit hatte ihren Grund inder geringeren Entfernung. Der Vorlauferstern der Su-pernova 1987 begann mit etwa 17 Sonnenmassen undbrannte entsprechend intensiv, sodass er nur 20 Millio-nen Jahre alt wurde. Verglichen mit der Sonne verfeuer-

te er seinen wesentlich großeren Energievorrat 500 malschneller. Als im Innern dieses Sterns die Erzeugung vonEnergie durch nukleare Prozesse beendet war, brach die-ser zentrale Bereich unter dem Druck der Gravitationzusammen. Die dabei freigesetzte Energie bewirkte dasAbsprengen der ausseren Bereiche, wie in einer Explosi-on. Dies war verbunden mit einer Kette von nuklearenProzessen, in denen die Bildung der chemischen Elemen-te ihren Abschluss fand. Das sichtbare Licht zeigt nur dieOberflache des Systems, dementsprechend war das Auf-leuchten zeitlich verzogert. Vom Geschehen im Sternin-neren berichteten die Neutrinos. Dies ist vergleichbar mitunseren Beobachtungen der Sonne, Allerdings brauchtendie Neutrinos fur die Reise zu uns nicht 8 Minuten, son-dern 170.000 Jahre. Aus der Beobachtung der Neutrinoshaben wir den Zeitpunkt des Ereignisses und eine ver-gleichsweise solide Grundlage, den Mechanismus dieserSupernova zu diskutieren.

A. Die Entwicklung von Sternen

Die Entwicklung dieses Sterns begann mit dem Ver-brennen von Wasserstoff zu Helium, wie bei der Sonne.Wegen der großeren Masse war die Temperatur imZentrum jedoch deutlich hoher, sodass Reaktionenvon Wasserstoff mit bereits vorhandenem Kohlen-stoff dominierten. Die Reaktionkette besteht aus vierEinfangreaktionen von Wasserstoff und zweimaligemradioaktivem Betazerfall, danach zerfallt das Reakti-onsprodukt in Helium und Kohlenstoff. In diesem 1937von Bethe und Weizsacker beschriebenen CNO Zykluswirkt Kohlenstoff wie ein Katalysator. Entsprechendschneller erfolgt der Prozess. Der CNO Zyklus ist inallen Sternen wichtig, deren Masse die der Sonne umnur wenige 10 Prozent ubertrifft. Ist der Wasserstoff imzentralen Bereich verbrannt, fehlt der dem gravitativenDruck standhaltende Energienachschub. Die außerenSchichten des Sterns drucken den inneren Bereich weiterzusammen. Entsprechend steigen dort Temperatur,Dichte und Druck, bis Helium zu Kohlenstoff verbrennt,und in der benachbarten nachst außeren Schicht Wasser-stoff zu Helium. Heliumbrennen jedoch hat bei weitemnicht die Heizkraft des Wasserstoffbrennens, deshalbgeht das Zusammenpressen des Kerns rasch weiter.Auf das Heliumbrennen folgt das noch ineffektivereKohlenstoffbrennen, und entsprechend verlagert sich dasHeliumbrennen, und das Wasserstoffbrennen in weiteraußen liegende Bereiche. Man spricht von Schalen, wiebei einer Zwiebel, sollte dabei aber sehen, dass im Ablaufdieses Geschehens die Großen dieser inneren Schalengewaltig schrumpften. Dabei wurden die außerstenSchalen sehr heiss, sodass sie sich aufblahen und dasGravitationsfeld als sogenannte planetarische Nebelverlassen.

Den aktuellen Entwicklungsstand eines Sterns entnimmtman dem Hertzsprung-Russel Diagramm. In diesem ist

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die Leuchtstarke, das ist die tatsachlich abgestrahlteLeistung, dargestellt als Funktion der Temperatur derOberflache. Alle jungeren Sterne liegen auf der Hauptrei-he, aus ihrer Temperatur lasst sich die Masse zuordnen.Altere Sterne, die ihre Hulle aufblahen, werden alsRiesen bezeichnet. Wegen ihrer vergroßerten Oberflachesehen wir deren Strahlung bei signifikant geringerenTemperaturen, obwohl sie die Leuchtstarke behaltenoder steigern. Der genaue Verlauf dieser Seitenzweige,in welche die Hauptreihe auffachert, hangt ab von derMasse eines Sterns. Aus der Position im Bereich der Sei-tenzweige wird dem Stern Alter und Masse zugeordnet.

Bei Kugelsternhaufen des Halos kann man von einerSternpopulation gleichen Alters ausgehen. Dann erlaubtdie beobachtete Verteilung im Hertzsprung-RusselDiagramm die Bestimmung des Alters dieser Popula-tion. Auf diese Weise wurde fur Kugelsternhaufen eintypisches Alter von 12,7 Milliarden Jahren abgeschatzt.

Kugelsternhaufen im Halo sind isolierte und damitbestandige, wohldefinierte Objekte, zusammengehaltendurch ihre wechselseitige Gravitation. Im Innern von Ga-laxien gibt es eine wesentlich großere Anzahl von gravi-tativ gebundenen lokalen Konzentrationen von Sternen,vergleichbar den Kugelsternhaufen. Diese wechselwirkenjedoch mit Ihrer Umgebung und sind deshalb zeitlich we-niger bestandig.

B. Der Supernova Mechanismus

Beim Vorlaufer der Supernova 1987 erlosch das Brennenim Zentrum, sobald sich Atomkerne mit der Massevon Eisen gebildet hatten, da bei noch schwererenAtomkernen die elektrische Abstoßung der gebundenenProtonen den Zugewinn an Bindungsenergie auf Grundder Nuklearen Kraft ubertrifft. Wegen des fehlendenEnergienachschubs konnte im Zentrum das System ausElektronen und Kernen des Eisenatoms dem Druckder Gravitation nicht mehr Stand halten. Dabei wirdQuantenmechanik wichtig:

Je dichter Elektronen gepackt sind, desto schnellerbewegen sie sich. Dies ist eine zentrale Aussage der 1926formulierten Quantenmechanik. Ist ein Korper außerdemnoch heiß, so ist dieser quantenmechanisch begrundetenBewegung die thermische Bewegung uberlagert. Fallsnun bei abnehmender Temperatur der thermisch verur-sachte Druck unwichtig werden sollte, bleibt immer nochder quantenmechanisch begrundete. Diesen kennen wirals Festigkeit von Stoffen, wie wir dies in der taglichenErfahrung wahrnehmen. Hohe Festigkeit bedeutet,dass man zur Kompression des Volumens viel Energieaufzuwenden hat. Diese zugefuhrte Energie wird aufge-nommen von den Elektronen, indem deren kinetischenEnergie erhoht wird. In gleicher Weise halten sie auchim Stern der Gravitationsenergie das Gleichgewicht.

Nimmt ein dichter Bereich dieser Art durch Zuwachs vonaußen an Masse zu, so erhoht dies den Druck im Innern.Kann diesem nur der quantenmechanisch begrundeteDruck das Gleichgewicht halten, so wird die Materieweiter komprimiert. Dabei sind die Verhaltnissse so,dass einer Verdoppelung der Masse eine Halbierungdes Volumens entspricht. Nimmt nun die Masse immerweiter zu, so erreicht die Energie der Elektronen Werte,bei denen deren Masse zunimmt. Dies ist eine Aussageder Speziellen Relativitatstheorie von Einstein aus demJahre 1906. Die Zunahme der Masse der Elektronen hatnun den Effekt, dass sich bei der Kompression wenigergroße Werte fur den quantenmechanisch begrundetenDruck ergeben. Damit gerat das System aus demGleichgewicht, der dichte Bereich wird instabil undkollabiert. Dies Phanomen tritt ein, wenn dessen Massedie der Sonne um etwa 40 Prozent ubertrifft. DieseEinsicht hatten bereits um 1930 mehrere Physiker. Derkritische Wert der Masse wird mit dem Namen vonSubrahmanyan Chandrasekhar verbunden (Nobelpreis1983).

Dies idealisierte Modell ist auf Grund der hohen Tem-peraturen und auf Grund von Prozessen der SchwachenWechselwirkung zu erganzen: Mit der Kompressionsteigt die Temperatur, die Gammaquanten des thermi-schen Strahlungsfelds erreichen Energien mit denen siedie Bindungen der schweren Atomkerne auflosen, und soNeutronen, Protonen und Heliumkerne freisetzen. DieseAbsorption der Gammaquanten reduziert die Tempe-ratur, der damit verbundene Druckabfall verstarkt dieKompression. Weiterhin ermoglicht die zunehmendeEnergie der Elektronen Reaktionen, in denen Protonenin Neutronen und Elektronen in Neutrinos gewandeltwerden. Zwar sind dies Prozesse der Schwachen Wech-selwirkung, auf Grund der extrem hohen Dichten jedochsind die Reaktionsraten groß. Das Verschwinden vonElektronen treibt ebenfalls die gravitative Kontraktionin einen selbstverstarkenden Prozess. Wenn nur noch dieNeutronen bleiben, dann ist das Volumen dieses innerenBereichs wiederum bestimmt durch das Gleichgewichtdes Drucks auf Grund der Gravitation mit dem quan-tenmechanisch begrundeten Druck, den die Neutronenauf Grund ihrer Konzentration aufbauen, vergleichbarden Elektronen. Das Volumen auch dieses Bereichs wirdmit zunehmender Masse kleiner. Es zeigt sich, dass nachAblauf aller Prozesse ein Neutronenstern von etwa 12km Radius verbleibt. Es gibt Hinweise, dass dieser Wertfur den Radius relativ unabhangig ist von der Masse desNeutronensterns. Der Wert der Chandrasekhar-Masseund die Dichte von schweren Atomkernen geben nurAnhaltspunkte. Die Kompressibilitat von Materie indiesem extremen Zustand ist Gegenstand der Forschung.

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C. Neutrinoastronomie

Der beschriebene gravitative Kollaps bis hin zumNeutronenstern findet statt, weil alle Protonen ihreelektrische Ladung auf Elektronen ubertragen. Diegebildeten Neutrinos haben die Energie der Elektronen,da die Bewegungsenergien von Protonen und Neutroneneine vergleichsweise geringe Rolle spielen. Die beimKollaps frei gesetzte Gravitationsenergie ist viel großerals die bei allen vorher abgelaufenen Brennprozessen.Sie wird von den Neutrinos fortgetragen, im Vergleich zudenen aus der Sonne haben sie ungleich hohere Energien.

So entweicht der großte Teil der freigewordenenGravitationsenergie mit den Neutrinos ins All. Nur einAnteil im Prozentbereich geht durch Reaktionen in denextrem dichten, kernnahen außeren Bereichen verloren.Der damit verbundene Energieubertrag reicht jedochaus, den gesammten außeren Bereich abzusprengen.Dies ist es, was wir bei dieser Art von Supernova alsExplosion wahrnehmen. Die Streuprozesse bewirktenVerzogerungen der Neutrinos im Sekundenbereich.Aus den genannten Werten zur kollabierenden Masseund zum Durchmesser des verbleibenden Kerns lasstsich die insgesamt freigesetzte Energie, wie auch An-zahl und mittlere Energie der erzeugten Neutrinos,abschatzen. Das absolut Beeindruckende ist nun, dassdiese Neutrinos genau so, als sekundenkurzes Ereignisund in der richtigen Anzahl, beobachtet worden sind!Es gab drei riesigen Apparaturen, eine davon in derKamioka-Mine in Japan. Sie waren als Detektoren vonNeutrinos zu einem anderen Zweck konzipiert, DerKamioka Detektor zun Nachweis eines hypothetischangenommenen Zerfalls des Protons. Registriert wurdendamals 11 hochenergetische Neutrinos. Nach 170.000Jahren Laufzeit trafen sie innerhalb von 10 Sekundenein! Danach sprach man von Neutrinoastronomie. Leiderist das fur Doktoranden weniger attraktiv, denn wannwird es die nachste Supernova ahnlich nahe bei unsgeben? Und der Nobelpreis dafur ist auch bereits ver-geben, er ging 2002 Chef der Gruppe, Masatoshi Koshiba.

In der Andreas-Gurski Foto-Ausstellung 2007 im Hausder Kunst wurde ein grandioses Photo vom Innern desinzwischen wesentlich vergroßerten Detektors in Kamio-ka gezeigt. Wartungsarbeiten, bei denen zwei ForscherSchlauchboot fahren in einem Wassertank. Das Wasserwird als Detektorflussigkeit verwendet. Die riesige Hohledes Tanks ist ausgekleidet mit Photodetektoren, welcheLichtblitze registrieren, die im Wasser durch Stoße mitNeutrinos ausgelost werden. Physik und Astronomie ha-ben die Kunstszene erreicht!

D. Supernovae, der weitere Ablauf

Bei der extrem schnellen Implosion wird Raum frei, inden die Materie aus den nachst außeren Sternbereichen

einsturzt. Diese wird an dem zentralen Kernbereichdes sich entwickelnden Neutronensterns naherungsweiseelastisch reflektiert. Im Abstand von wenigen 100 kmvom Zentrum ergibt sich aus der Konkurrenz von weitereinstromendem und bereits zuruckstromendem Materialeine hochverdichtete Zone, die fur die kurze Zeit vonmehreren zehntel Sekunden zum Stillstand kommt. AufGrund der sehr hohen Dichte dieser Zone wechselwirktsie mit den vom Kern emittierten Neutrinos, sodassDruck und Temperatur stark ansteigen. Diese Ener-giezufuhr und die Akkretion auf Grund der Rotationbewirken in diesem inneren Bereich extrem turbulenteProzesse, eine Vielzahl von Umwalzungen, bis schliesslichdieser ganze Bereich abgesprengt wird und mitsamt demweiteren Material der ausseren Schalen das Gravitati-onsfeld verlasst. Diese turbulenten Umwalzungen großerMassen sollten auch Quellen von Gravitationsstrahlungdarstellen, und man hofft auf den erfolgreichen NachweisDie Stoßfront ist keineswegs spharisch oder irgendwiesymmetrisch. Deshalb werden unterschiedliche chemi-sche Elemente in verschiedene Richtungen emittiert. DerUnsymmetrie der Stoßfront entspricht auch ein Ruckstoßauf den verbleibenden Neutronenstern, der betrachtlichsein kann. Die Stoßfront durchdringt die umgebendeMaterie und gelangt in die außere, von uns aus sichtbareOberflache des Sterns erst nach Stunden oder Tagen.Entsprechend langsam steigerte sich die Helligkeit uberWochen hin.

Die weitere Entwicklung zeigt der Krebsnebel im Stern-bild des Stiers. Dieser sogenannte Nebel zeigt die Uber-reste einer Supernova, die am 11. April 1054 heftig auf-geleuchtet hatte und Monate spater sogar bei Tageslichtgesehen wurde. Es gibt dafur inzwischen 13 historisch ge-sicherte Quellen. Verglichen mit der Supernova von 1987war die Masse dieses Vorlaufersterns mit etwa 10 Son-nenmassen gerade ausreichend, einen Kollaps mit Neutri-noemission zu induzieren. Die etwa tausend mal große-re Helligkeit damals folgt aus der geringen Entfernungvon nur 6.300 Lichtjahren. Heute sieht man Fronten vonStaub, die vom ultravioletten Licht des Zentralbereichsgut beleuchtetet sind. Die starken Abweichungen von ei-ner spharischen Form sind Folge der diskutierten Tur-bulenzen zu Beginn. Die Fronten expandieren mit einerGeschwindigkeit von einem halben Prozent der Licht-geschwindigkeit, so dass der Krebsnebel heute in einerAusdehnung von 11 Lichtjahren erscheint. Die Expansi-on wird direkt sichtbar, wenn man alte Photographienzum Vergleich heranzieht.

Man kann den Krebsnebel vergleichen mit dem Relikt ei-ner Supernova mit einem deutlich schwererem Vorlaufer-stern von etwa 15 Sonnenmassen: Im Sternbild der Cas-siopeia sieht man eine 325 Jahre alte Front, asymmetrischund zerfasert, von etwa demselben Durchmesser, im Ab-stand von 11.000 Lichtjahren. Wegen dichter Gas undStaubwolken war 1680 die Erscheinung unauffallig. AufGrund der hoheren Masse des Vorlaufersterns ist bei die-sem Nebel die Expansionsgeschwindigkeit etwa drei mal

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großer, auch ist in der expandierenden Front der Anteilschwerer Elemente deutlich goßer. Im Zentrum der Nebelbefinden sich die jeweils verbliebenen Neutronensterne,beim Krebsnebel leuchtet dieser als Pulsar 30 mal in derSekunde auf, in allen Bereichen der elektromagnetischerStrahlung, von Radiowellen bis zu harter Rontgenstrah-lung.

E. Kosmologische Bedeutung der Supernovae

Der Ablauf und die Auswirkungen von Supernova-Prozessen hangen entscheidend ab von der Masse desjeweiligen Vorlaufer-Sterns. Bei der Supernova 1987 be-wirkte die beschriebene extreme Aufheizung durch Neu-trinos, dass im abgesprengten Bereich die Atomkernesich zunachst in Neutronen, Protonen und Heliumkerneauflosten um anschließend wieder zu fusionieren. Dabeigab es Prozesse von Bildung und Zerfall, in denen diemit der Masse der Atomkerne zunehmende elektrischeAbstoßung und die Stabilitat der Kerne eine Rolle spiel-te. Deswegen endete die so gebildete Verteilung nahe-rungsweise im Bereich von Eisen, da hier die Bindung derNukleonen im Kern am starksten ist. Dies Material ex-pandierte mit der abgesprengten Schale. Ein Beispiel istder Krebsnebel. Uber ihre Spektrallinien kennen wir furdie verschiedenen chemischen Elemente deren Haufigkeit.Sie hangen davon ab, wie sich wahrend ihrer EntstehungTemperatur und Dichte zeitlichen entwickelt hatten. We-gen der Turbulenz des Vorgangs konnen sich benach-barte Bereiche stark unterscheiden. Entsprechend zeigenSupernova-Fronten keineswegs eine gleichformige Vertei-lung. Mit zunehmender Abkuhlung bildeten sich einfachechemische Molekule und Staubteilchen. In letztere kon-densierten insbesondere die schwereren Elemente. Im um-gebenden interstellaren Gas bewirken die expandieren-den Fronten Kompressionseffekte und unterstutzen so dieBildung neuer Sterne in fortlaufenden Zyklen. Auf dieseWeise reicherten sich die chemischen Elemente an aus de-nen unsere Welt besteht. Zugespitzt formuliert: Jeder vonuns besteht aus Uberresten von Supernova-Prozessen.

F. Zoo der Sopernovae

Sterne, die mit weniger als etwa 8 Sonnenmassen began-nen, konnen auf signifikant andere Art als Supernovaezunden: Nachdem sie den nuklearen Brennprozess mitder Bildung von Kohlenstoff und Sauerstoff beendethatten, stießen sie die Materie der außeren Schalendurch Strahlung ab, sodass kompakte Weiße Zwergeverblieben. Deren Masse ist etwas großer als die halbeSomnnenmasse. Falls diese nun Teil eines Doppel-sternsystems sind und vom anderen Partner Materieaufnehmen, kann der so genannten Typ Ia Supernova-Prozess ausgelost werden. Inzwischen beobachtet manetwa 300 Supernovae dieser Art pro Jahr.

Dabei kann als “Vorspiel“ der auf der Oberflache einge-fangene Wasserstoff zu Helium verbrennen. Solche kurzdauernden Ereignisse bezeichnet man als Novae. Diesekonnen sich wiederholen, V407 Cygni, 9000 Lichtjahreentfernt, zeigte 1936 und 2010 einen solchen Ausbruch.Das abgesprengte Material bildet beim Durchdringender Umgebung des Roten Riesen Stossfronten, welcheauch Gammastrahlung emittiert.

Das Supernov-Ereignis vom Typ Ia ergibt sich, sobaldder Weiße Zwerg auf Grund der aufgenommenen Materiedie Chandrasekhar-Masse erreicht. Mit dem nun einset-zenden gravitativen Kollaps steigt die Temperatur unddie abgebrochene Kette von Fusionsreaktionen zundetwieder: Aus Kohlenstoff und Sauerstoff entsteht Silizium,und aus diesem Nickel. Die dabei freigesetzten Energieubertrifft die Energie der Bindung durch Gravitation,wegen der Schnelligkeit des Prozesses ergibt sich einexplosiver Prozess, die gesamte Materie wird verstreut.Im Vergleich zur Core-Kollaps Supernova von 1987 istdie insgesamt freigesetzte Energie um vier Großenord-nungen geringer, jedoch ist die Helligkeit im optischenBereich meist großer. Dies liegt daran, dass Nickel 56,das haufigste Fusionsprodukt, in der Explosionsfrontliegt und diese durch radioaktiven Zerfall aufheizt. Diefreigesetzte Energie ist ohne Verschattung zu sehen.Die von Tycho Brahe 1572 beobachtete Supernovaist das gute Beispiel fur eine Typ Ia Supernova. ImRontgenlicht erscheint sie heute als riesiger Ball. Die TypIa-Supernovae unterscheiden sich also ganz wesentlichvom Typ der Supernova, die wir 1987 kennengelernthaben: Es fehlen die Neutrinos, und in dem verstreutenMaterial fehlt der Wasserstoff, es besteht uberwiegendaus Nickel und Eisen. In der naheren Sonnenumge-bung sind zwei Drittel der Atome der Eisengruppeden Typ Ia-Supernovae zuzuordnen, und nur ein Drit-tel den massereicheren vom Typ II. Die haufigstenleichteren Elemente von Kohlenstoff bis Kalzium hin-gegen stammen vorzugsweise aus den Typ II Supernovae.

Fur die Typ Ia-Supernovae zeigt die anfangliche Situa-tionen eine gewisse Streubreite. Die Experten streben an,die Typ Ia-Supernovae so gut zu verstehen, dass sie je-der beobachteten Supernova dieser Art aus ihrem Spek-trum und dem jeweiligem zeitlichen Verlauf der Lichtab-strahlung eine bekannte Leuchtkraft zuordnen konnen.Sie sprechen dabei gerne von Standardkerzen. Inzwischensind 6000 dieser Typ Ia Supernova beobachtet worden.Man erkennt sie im optischen Spektrum an den Linienvon Silizium, und am Fehlen von Wasserstoff und Heli-um. Sie leuchten besonders hell auf. Allerdings gibt esdiese Kerzen erst im relativ fortgeschrittenem Stadiumder Sternentwicklung, da es Zeit braucht zur Bildungvon Weissen Zwergen und insbesondere von Roten Rie-sen, den Partnern im Doppelsternsystem, von dem dieabgestoßene Materie akkretiert wird.

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G. Verteilung der Elementhaufigkeit

Es ist ein großes Ziel von Astronomie und Kernphysik,die Haufigkeit der chemischen Elemente im Detail zuverstehen. Bei den Supernovae haben wir skizziert, wieaus primordialem Material, Wasserstoff und Helium,durch Einfang geladener Teilchen die chemischen Ele-mente bis zu Eisen erzeugt werden. Diese Elementebilden in den Sternen der nachfolgenden Generation Bei-mengung zu Wasserstoff und Helium, und werden dortzum Ausgangsmaterial weiterer Elementumwandlungen.Neben der Anlagerung von Protonen ist der Einfang vonNeutronen besonders wichtig. Entsteht nach (gegebe-nenfalls wiederholtem) Neutroneneinfang ein radioaktivinstabiler Kern, dann geht dieser durch β-Zerfall, d.h.unter Emission eines Elektrons, in einen fester gebun-denen Kern der nachst hoheren Ordnungszahl uber.Dabei sind die Zeitskalen so, dass der radioaktive Zerfallviel schneller erfolgt als der nachste Einfang. Damit istein Weg durch die Isotope der so gebildeten Elementefestgelegt, dieser folgt der starksten Bindung. Der Wegwird sichtbar, da fast alle Atomkerne diesen nur zumTeil durchschritten haben, und so irgendwo auf dem Wegstehen geblieben sind. Dieser Prozess des langsamenNeutroneneinfangs, kurz (slow) s-Prozess, geht aus vonEisen und findet sein Ende bei Blei und Wismut, daalle anschließend erreichbaren Kerne instabil sind gegenTeilchenzerfall.

Relevant werden diese Vorgange, sofern sie in Berei-chen stattfinden die spater abgestoßen werden und soden den interstellaren Raum erreichen. Dies gilt fur eineSchale in Roten Riesen, in der Helium zu Kohlenstofffusioniert, und in der an bereits vorhandenen leichterenAtomkernen (13C und 22Ne) durch den Einfang vonHelium der benotigte Fluss an Neutronen entsteht. Imzentralen Bereich solcher Sterne ist das Wasserstoff-und Heliumbrennen bereits beendet, er wird spater ineinen weißen Zwerg ubergehen. Die hier diskutiertenSterne im asymptotischen Riesenast des Hertzsprung-Russell-Diagramms sind bereits zum Tausendfachen desSonnendurchmessers aufgeblaht. In der nachfolgendenweiteren Expansion werden die gebildeten schwerenElemente mit dem sgn. planetarischen Nebel freigesetzt.

Die beobachtete Verteilung der Isotope zeigt, dass esneben dem s-Prozess einen weiteren Mechanismus derErzeugung schwerer Elemente geben muss. Dieser hatdie Genese der beobachteten neutronenreichen Atomker-ne zu erklaren, die ausserhalb des Bildungspfads der s-Prozess-Kerne liegen, Kerne schwerer als Blei und Wis-mut sind ausschließlich auf diese Weise entstanden. Manging zunachst davon aus, dass deren Erzeugung durch ex-trem schnellen Neutronen-Einfang erfolgt, deswegen dieBezeichnung (rapid) r-Prozess. Inzwischen stellt sich her-aus, dass dies in den uns bekannten Formen von Super-novae nicht moglich ist. Neueste Untersuchungen zeigen,dass diese Kerne bei der Verschmelzung zweier Neutro-

nensterne entstehen sollten. Dabei wird ein Bruchteil derhochdichten Neutronenmaterie ins interstellare Mediumfreigesetzt. Zunachst entsteht eine thermisch bestimm-te Verteilung neutronenreicher Kerne sehr großer Masse.Aus diesen entstanden die uns bekannten Kerne durchSpaltung und radioaktiven Zerfall. So erklart sich die inden verschiedenen Sternen beobachtete einheitliche Ver-teilung der Elementhaufigkeit von r-Prozess Kernen. Inder Milchstrae entspricht die Masse der gebildeten r-Prozess Kerne einigen Tausend Sonnenmassen. (Die ders-Prozess Kerne ist vergleichbar.) Aktuelle Berechnungenzeigen, dass bei jeder Verschmelzung zweier Neutronen-sterne knapp ein Prozent einer Sonnenmasse in der Formvon r-Prozess Kernen freigesetzt werden sollte. Allerdingsbeobachtet man bereits in sehr alten Sternen schwere Ele-mente, deren Haufigkeit jedoch 4 Großenordnungen un-ter dem aktuellen Wert liegt. Deren Alter schliesst dieBildung aus einem Neutronendoppelsterns wohl aus. AlsEntstehungsort vermutet man fruhe Supernovae extremmassereicher Sterne.In die angestrebte Berechnung der Verteilung der Ele-menthaufigkeit gehen ein die Entwicklung der Galaxien,die Modellierung von Sternentstehung und Supernovae-Prozessen, und die Kenntnis von Kernreaktionsraten, dieaus Labordaten abgeleitet sind. In den Grundzugen istdies verstanden. Der Pionier dieser Physik war WilliamFowler (Nobelpreis 1983).

H. Zeitangaben

Die in stellaren Prozessen erzeugten Verteilungen derElementhaufigkeiten werden anschließend modifiziertdurch radioaktiven Zerfall. Falls von einem chemischenElement verschiedene Isotope gebildet wurden, betrifftder Zerfall mit einer charakteristischen Halbwertszeitjeweils nur ein Isotop. Kann man Proben unter La-boratoriumsbedingungen untersuchen, und gelingt es,die Zahl der durch Zerfall gebildeten Kerne relativzu den verbliebenen zu bestimmen, so folgt der Zeit-punkt, zu dem das Material derc Probe erzeugt wurde.Dementsprechend konnen Altersbestimmungen von Erd-schichten, Meteoriten, der Erde und des Sonnensystemssehr genau sein.

Anders ist es bei Sternen. Hier haben wir nur die Spek-trallinien als Information, und diese unterscheiden nichtnach Isotopen. Deshalb konzentriert man sich auf Ele-mente die moglichst aus nur einem Isotop bestehen, undbestimmt deren durch den bereits erfolgten Zerfall redu-zierte Haufigkeit. Das Problem dabei ist die Referenz-große, die Haufigkeit vor dem Zerfall. Hier spielen Uranund Thorium eine wichtige Rolle. Diese heute beobach-teten Elemente werden nur im diskutierten r-Prozess er-zeugt, Nach einiger Zeit sind auf Grund des Alpha - Zer-falls fast alle Elemente schwerer als Blei verschwunden,nur von Uran und Thorium ist etwas ubrig geblieben.Deren unterschiedliche Zerfallszeiten und der definierte

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Prozess ihrer Erzeugung erlauben naherungsweise Aus-sagen uber das Alter. Kurzlich wurde auf diese Weiseeinem Stern im Halo der Milchstraße ein Alter von 13,2Milliarden Jahren zugeordnet. Das passt zu der sehr nied-rigen Haufigkeit schwerer Elemente in diesem Stern undzu unserer Kenntnis uber das Alter des Kosmos. Jedochist die Messung und ihre Analyse mit einer Unsicher-heit von insgesamt mehr als einer Milliarde Jahre behaf-tet. Man sollte jedoch festhalten, dass dies eine direkteAltersbestimmung darstellt, unabhangig von der Physikkosmischer Expansion.

I. Pulsare, Magnetare

Die verbleibenden Neutronensterne sind sehr kompakteObjekte. Beim Kollaps im Supernova-Prozess bleibt derDrehimpuls erhalten, sodass ein Teil davon auf den Neu-tronenstern ubergeht. Wegen des geringen Durchmessershaben diese extrem hohe Umlaufgeschwindigkeiten. EinTag auf einem derart kompakten Stern kann nur wenigeMillisekunden dauern. Beim Kollaps bleibt der Fluss desMagnetfelds erhalten, sodass auf Grund der Konzentra-tion extrem starke Magnetfelder entstehen. Nahe derOberflache ubertreffen diese die in Laboratorien erzeug-ten Feldstarken um bis zu eine Milliarde. Ist nun, wiebei der Erde, die Achse des Felds gegen die Drehachsegeneigt, so bewirkt das umlaufende Feld im umgebendenMedium elektromagnetische Induktionseffekte und inderen Folge Abstrahlung elektromagnetischer Wellen.Diese umfasst alle Frequenzbereiche, auch den derRadiowellen. Sie sollten einem fernen Beobachter alseine im Takt des Umlaufs pulsierende Quelle erscheinen,wie der Strahl eines Leuchtturms. Der erste Pulsarwurde bei einer Suche nach Radioquellen 1967 vonJocelyn Bell entdeckt. Der Nobelpreis dafur ging 1974jedoch nur an ihren Doktorvater, Antony Hewish.Inzwischen kennt man uber 1000 Pulsare, darunter auchein Doppelsternsystem von 2 Pulsaren. Aus den imVerlauf von 30 Jahren beobachteten kleinen Anderun-gen der Pulsfrequenzen erhalt man Information uberdie Abstrahlung. Nach 10 Millionen Jahre sollten dieMagnetfelder verbraucht sein. Im Fall des Doppelsternszeigten Russell Hulse und Joseph Taylor (Nobelpreis1993), dass die beobachtete Abnahme der Umlaufsfre-quenz der Erwartung auf Grund der Abstrahlung vonGravitationswellen entspricht. Dies war bis in jungsteZeit die einzige experimentelle Evidenz fur die Existenzvon Gravitationswellen.

Inzwischen kennt man auch Neutronensterne, derenMagnetfelder nochmal um einen Faktor 1000 starkersind, man spricht von Magnetaren. Man versteht dieseFeldstarken, falls unmittelbar nach dem Supernovakol-laps verschiedene Teilbereiche des Neutronensterns un-terschiedlich schnell rotiert hatten, und falls diese aufGrund noch verbliebener Elektronen und Atomkerneelektrisch leitend waren. Dann ergaben sich im Magnet-

feld des Neutronensterns Induktions-(Dynamo)Effekte,die dieses Feld dramatisch verstarkten, kinetische Energieder Rotation wurde in Energie des Magnetfelds gewan-delt. Eine Beobachtung in der Region Westerlund in derMilchstraße am Sudhimmel zeigt das Relikt eines Dop-pelsterns, der Vorlaufer sollte 40 Sonenmassen gehabthaben. Im SN-Prozess wurde in diesem Fall offensicht-lich soviel Materie abgesprengt, dass der Rest nicht mehrreichte zu Bildung eines Schwarzen Lochs.

J. Zur Sternentstehung

Sterne entstehen immer dann, wenn lokale Bereichevon verdichtetem interstellaren Gas und Staub aufGrund ihrer eigenen gravitativen Anziehung kolla-bieren. Der Anteil von Staub bedingt, dass dieserVorgang der Sternentstehung zumeist nicht sichtbarist. Verdichtungen ergeben sich aus der Uberlagerungverschiedener Bewegungen. In diesen Bewegungenspiegelt sich die ganze Vorgeschichte. Verdichtungenergeben sich bereits auf Grund von Turbulenzen, dieaus Akkretionsvorgangen auf Grund der Bewegung umdas Galektische Zentrum folgen. In der Milchstrassewird Sternentstehung beobachtet aus protostellarenBereichen, deren Temperaturen zu Beginn zwischen 12und 26 Kelvin liegen, nur geringfugig warmer als ihreUmgebung von 12 Kelvin. Der Kollaps erfolgt, wenndie thermische Energie des Gases nicht mehr ausreichtdem Druck der gravitativen Anziehung standzuhalten.Dementsprechend kollabieren in kalten, dichten Gasenbereits kleine Bereiche, wahrend dies in dunneren,warmeren Gasen nur fur große Bereiche moglich ist:In kalter Umgebung entstehen die leichten Sterne, inwarmerer die schweren. Von den leichten Sternen gibt esviele, von den schweren wenige. Die schwersten Sternehaben eine Masse von etwa 150 Sonnen, die leichtestenvon 8 Prozent der Sonne. Uber die Haufigkeit der Sternein der Galaxis kann man sagen, dass sie um einenFaktor 5 abfallt, wenn deren Masse um einen Faktor 2zunimmt. Die schweren und schwersten Sterne brennenbesonders schnell ab, die mit 100 Sonnenmassen inwenigen Millionen Jahren, die Sonne in 9 MilliardenJahren, und die leichteren in noch viel langeren Zeiten.Entsprechend variiert die abgestrahlte Energie.

Die zur Sternentstehung notigen hohen Dichtenstellen sich auf Grund dynamischer Prozesse fur kurzeZeiten ein. Sie umfassen Gas-Staub Bereiche von vielentausend Sonnenmassen, in denen gleichzeitig, und auchin gegenseitiger Beeinflussung, eine großere Anzahl vonSternen entstehen. Nur uber spezielle Stromungen audGrund gegenseitiger Beeinflussung ist das Entstehender schwersten Sterne zu verstehen. Je massereicherein Gas-Staub Bereich, desto eher entsteht dort auchschwere oder sehr schwere Sterne.

Diese spielen fur das Weitere eine besondere Rolle: Sie

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emittieren intensive Strahlung, auch im Rontgenbereich,und ionisieren und erwarmten so das umgebende Me-dium aus Gas und Staub. Dies verhindert dort weitereSternbildung. Die Ausdehnung des erwarmten Gasesdrangt das umgebende kalte Gas zuruck. Verstarkt wirddieser Effekt durch Stoßfronten, verursacht durch stellareWinde. Diese nehmen mit der Masse des zentralen Sternssehr stark zu. Die so erhohte Dichte im umgebendenkalten Gas bewirkt dort verstarkte Sternbildung. Dieraumliche Verteilung der so entstandenen leichten Sternewird bestimmt durch die Wechselwirkung der Stoßfrontmit den turbulenten Stromungen im kalten Gas. Beiden entstehenden Sternen sind protostellare Scheibenund auch Akkretions-Jets beobachtet worden. DieAkkretions-Scheiben bestehen fr wenige Millionen Jah-re. Dies ist der Zeitraum einer etwaigen Planetenbildung.

Erfolgt dann die Supernovaexplosion des Zentralsterns,so raumt die entsprechende, zweite Stosfront den umge-benden Bereich leer, und die im Nahbereich gebildetenneuen Sterne werden so besser sichtbar. Dazu kommt,dass die Supernova-Stosfront ihrerseits im umgebendenMedium eine weitere Phase von Sternbildungen auslost.Die schweren Sterne losen also zumindest zwei Zyklender Sternbildung aus. Dabei wird jeweils nur ein eherkleiner Anteil des Ausgangsmaterials verbraucht, Wertevon 10 Prozent werden genannt.

Interessant ist, dass der Entstehungsprozess der Sonneund unseres planetaren Systems durch das Materialeines Zentralsterns von mindestens 30 Sonnenmassendominiert war. In der Entwicklung von Sternen dieseroder noch hoherer Masse werden infolge der hohenFreisetzung von Energie außere Schalen abgesprengt,sodass innere Schalen, in denen der Brennprozess weitfortgeschrittten ist, nahe an der Oberflache liegen. Manspricht von Wolf-Rayet Sternen. Deren Sternwindetragen eben erzeugtes Material nach außen. Interessantsind die durch Reaktion in diesen Schalen gebildetenradioaktiven Isotope von Natrium und Aluminium,22Na und 26Al. 22Na zerfallt nach einigen Jahren, 26Alnach knapp einer Million Jahren. Deren Zerfall konnenwir auf Grund der nachfolgenden Gammastrahlungaus solchen Sternen beobachten. Haben wir auch eineInformation uber die Zerfallsprodukte, so konnen wirzeitliche Ablaufe im Detail rekonstruieren. Beispieledafur: Im 1864 nahe Orgueil in Sudfrankreich nieder-gegangenen Meteoriten findet sich reichlich 22Ne, dasZerfallsprodukt von 22Na. Das bedeutet, dass 22Na imMeteoriten deponiert war, bevor es im Wolf-Rayet Sterndurch Protonenanlagerung in 23Mg uberfuhrt wurde.Kennt man einige kernphysikalische Reaktionsdaten (zuderen Messung ich beigetragen konnte: Phys. Rev. C75,045807 (2007)), so kann man auf die Temperatur imWolf-Rayet Stern schliessen. Ein weiteres Beispiel: Inalten Meteoriten findet man in Chondrulen, die Alu-minium auf Grund seiner chemischen Eigenschaften inihr Kristallgitter binden, das Zerfallsprodukts von 26Al,

Magnesium 26Mg. Innerhalb der Halbwertszeit von we-niger als 1 Million Jahren gelangte also 26Al nach seinerBildung im Innern des Sterns uber die erste Stoßfront indie Kristalle eines Meteoriten unseres Sonnensystems. Invergleichbarer Weise kann man nach kurzlebigen Kernenaus der anschließenden zweiten Stoßfront auf Grundder anschliessenden Supernovaexplosion fragen. Hierfureignet sich ein Isotop des Eisens, 60Fe, das in wenigenMillionen Jahren zu 60Ni radioaktiv zerfallt. Dies wirdebenfalls in Meteoriten nachgewiesen. Es wird nunberichtet, dass einige Meteoriten 26Al, aber keinen 60CoZerfall zeigen. Sie entstanden offensichtlich nach derersten, aber vor der zweiten Stoßfront. Die Beobachtungsei konsistent mit prazisen Altersbestimmungen dieserMeteoriten auf Grund des Alpha-Zerfalls sehr schwererKerne.

Eine weitere interessante Frage ist, wie schwer Sterne seinkonnen. Inzwischen kennt man Sterne, die mit einer Mas-se von 300 Sonnen begannen. Sie sollten in Bereichen ent-standen sein, die frei waren von schwereren Elementen.Somit ware die Situation vergleichbar mit der zu Beginnaller Sternentstehung. Fur alle diese sehr schweren Ster-ne gilt, dass ihr Ende als Supernova ihre Umgebung inentscheidender Weise geandert hatte.

IV. SCHWARZE LOCHER

Bei den bisher beschriebenen Supernovaprozessenbleiben Neutronensterne zuruck, deren Masse die derSonne etwas ubertreffen. Was hatte man zu erwarten,wenn die Masse eines derart kompakten Systems nochgroßer ware? Naturlich werden auf Grund des kleinenDurchmessers die Gravitationskrafte riesig. Was aber istunser Maßstab dafur?

Zur Veranschaulichung mochte ich von der Erfahrung mitder Raumfahrt ausgehen. Um eine Sonde als Satellitenin einem erdnahen Orbit kreisen zu lassen, muss man siezuvor auf eine Geschwindigkeit von 7,9 km/sec, das sind28.000 km/h, gebracht haben. Soll sie stattdessen denBereich der Erdanziehung verlassen, so muss sie von derErdoberflache mit 11.1 km/sec starten. Man bezeichnetdiesen Wert als Entweichgeschwindigkeit. Die entspre-chende kinetische Energie ist gerade doppelt so groß wiedie fur einen erdnahen Orbit. Wenn es nun darum geht,den Bereich der Anziehung der Sonne zu verlassen, unddies von der Erde aus, so muss die Energie der Sonde umeinen weiteren Faktor 15 großer sein. Dies gilt allerdingsnur, wenn die Bewegungen und die Anziehungen deranderen Planeten nicht berucksichtigt werden. Die1977 gestartete Raumsonde Voyager, die etwa 2017 deninterstellaren Raum erreichen wird, nutzte hingegen eingeschicktes Timing: Die Sonde naherte sich den jeweilsentgegenkommenden Planeten Jupiter und dann Saturngerade so, dass sie diese in einer hyperbolischen Bahnteilweise umlief. Das hatte zur Folge, dass die Sonde <wie

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ein Tennisball von einem schnell entgegenkommendemTennisschlager> beschleunigt wurde.

Sollte die Sonde von der Oberflache der Sonne aus dasSonnensystem verlassen, so ergabe sich ein weitererFaktor 200, da vom Mittelpunkt der Sonne aus gesehendie Oberflache der Sonne 200 mal naher ist als dieErde. Wurde man nun die Sonne auf die Große einesNeutronensterns schrumpfen lassen, ware der Wertnochmal um einen Faktor 50.000 großer. Genug damit!Bereits die Energie von erdnahen Satelliten ist riesig. Sievergluhen beim Wiedereintritt in die Erdatmosphare.Bei den Shuttles ist es die Kunst, die Bewegungsenergieso sorgfaltig verzogert in Warme umzusetzen, dass dieseohne Uberhitzung des Fahrzeugs von der Atmosphareaufgenommen werden kann.

Wie kann man die Starke der Gravitationsenergie nochdiskutieren? Man kann uberlegen, ob es eine Situationgibt, in der ein Korper grundsatzlich nicht mehr dasGravitationsfeld verlassen kann, wie groß auch immerseine Energie ist. Dabei ist zu berucksichtigen, dass nachEinstein Energie und Masse eines Korpers in Beziehungstehen, sodass auch Energie gravitativ wirksam ist. Zurersten Orientierung betrachten wir einen Probekorperauf der Oberflache eines Objekts, dessen Masse ku-gelsymmetrisch verteilt ist, und fragen wann dessenpotentielle Energie im Gravitationsfeld, gleich seiner Ru-henergie wird. Der Durchmesser, bei dem dies geschieht,ist proportional zur Masse des Objekts. Fur das Objektfolgt daraus, dass bei vorgegebener Masse eine hoheDichte verlangt wird, bzw. bei vorgegebener Dichte eingroßer Durchmesser und damit auch eine große Masse.Fur ein Objekt mit der Dichte eines Neutronensternssind dies mehrere Sonnenmassen. Starke Gravitationmuss naturlich im Rahmen von Einsteins AllgemeinerRelativitatstheorie behandelt werden. Fur das hier dis-kutierte Problem gelang dies Karl Schwarzschild bereits1916. Der von ihm berechnete Abstand, der so genannteSchwarzschildradius, unterscheidet sich von dem soebennaiv abgeschatzten nur um einen Faktor 2. Wird Lichtoder was auch immer innerhalb des Schwarzschildradiusemittiert, kann es das Gravitationsfeld nicht mehrverlassen. Die Zone innerhalb des Schwarzschildradiuserscheint von aussen als schwarz, als ein Schwarzes Loch.

Die Allgemeine Relativitatstheorie beschreibt die Gravi-tation als Dynamik der Raumzeit. Die Anziehung einesSterns beinhaltet, dass der Raum in den Stern fallt. Fureinen Beobachter von außen wird der Schwarzschildra-dius zu dem Abstand, bei dem die Geschwindigkeitder Bewegung des Raums gerade gleich der Lichtge-schwindigkeit wird, noch naher am Zentrum ubertrifftsie diese. Ereignisse dort konnen von außen in keinerWeise wahrgenommen werden. Einfallende Materie,die den Schwarzschildradius passiert hat, kann nichtmehr zuruck, dort emittiertes Licht gelangt nicht mehrzu uns, deshalb bezeichnet man eine entsprechende

Konzentration von Masse als Schwarzes Loch.

Der Schwarzschildradius stellt einen Horizont dar, hinterdem Ereignisse grundsatzlich nicht wahrzunehmensind, man spricht vom Ereignishorizont. Wird Licht imGravitationsfeld emittiert, so sehen wir dieses auf Grunddes Dopplereffekts mit vergroßerter Wellenlange, und beiEmisssion am Schwarzschildradius wird diese unendlich.Man kann dies auch so sehen, dass fur den Beobachterdie Schwingungen des Lichts still stehen. Fur ihn scheintdie emittierende Quelle nicht mehr zu schwingen, erkann sagen, dass dort, am Ereignishorizont, die Zeitstehen bleibt!

A. Wie entstehen Schwarze Locher?

Schwarze Locher gehen hervor unter anderem aus masse-reichen Sternen. Im Supernova-Prozesse sprengen sie dieSchale ab, im Zentrum verblieben Neutronensterne. Aufdiese sturzte aus der Schale so viel Materie zuruck dassdiese in Schwarze Locher ubergingen.

B. Gammablitze

Die Entstehung eines Schwarzen Lochs kann als Gamma-blitz beobachtbar werden. Der Supernova-Kollaps einessehr schweren Sterns oder die Fusion zweier Neutronen-sterne ist verknupft mit der Akkretion schnell rotieren-der Materie um das entstehende Schwarze Loch und mitder Abstoßung eines eng kollimierten, extrem energierei-chen Jets entlang der Rotationsachse. So wird die frei-gesetzte Gravitationsenergie abgefuhrt. Diese Vorgangeim Bereich von Sekunden oder auch Minuten fuhren zurAbstrahlung kollimierter Gammastrahlung. Befindet sichdie Erde in der Richtung dieser Abstrahlung, so erscheintsie uns als Gammablitz (Gamma Ray Burst). Die nurSekunden kurze Blitze ordnet man der Fusion zweierNeutronensterne oder eines Neutronensterns mit einemSchwarzen Loch zu, die Minuten andauernden den be-schriebenen Supernovae sehr schwerer Sterne. Ereignissedieser Art gelten als starkste Stahlungsquellen, sie sinduber sehr große Distanzen zu beobachten und zeigen stel-lare Prozesse auch aus einer Zeit, in welcher der Kosmosnoch weniger als eine Milliarde Jahre alt war.

C. Quasare und massereiche Schwarze Locher.

Viele Galaxien haben in ihrem Zentrum ein massereichesSchwarzes Loch. Falls dieses Materie durch Akkretionaufnimmt, wird es sichtbar als Strahlungsquelle hochsterIntensitat. Das erste Objekt dieser Art wurde 1963beobachtet, und als Quasar, quasi-stellar, bezeichnet.Der Materiezufluss wird aus Leuchtkraft und Entfer-nung abgeschatzt, dabei folgen Werte von bis zu 10

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Sonnenmassen pro Jahr. Dementsprechend sollte die imSchwarzen Loch gesammelte Masse heute im Bereichvon Millionen bis zu einigen Milliarden Sonnenmas-sen liegen. Der Materiezufluss ist verbunden mit derFreisetzung von Gravitations-Energie, die sich zeigtin der Abstrahlung des akkretierten Gases und in derkinetischen Energie der emittierten Jets. Sie betragtmehrere 10 Prozent der Ruhenergie der akkretiertenMaterie. Dementsprechend intensiv ist die Strahlung,auch im Bereich sehr kurzer Wellenlngen. Durch Ioni-sation und Erwarmung beeinflusst sie den gesammtenBereich der Galaxie und bestimmt somit deren weitereEntwicklung, auch limitiert ihr Strahlungsdruck denZufluss akkretierter Materie.

Die meisten Quasare beobachtet man in Entfernun-gen, die einem Alter des Kosmos von 2 bis 4 MilliardenJahren entsprechen. Heute sind fast alle ehemaligenQuasare

”ausgeschaltet“, denn das galaktischen Umfeld

des Schwarzen Lochs im Zentrum hat sich bis heute sogeordnet, dass das Material zur Akkretion fehlt. Mankann hier eine Parallele ziehen zur Entwicklungsgeschich-te der protoplanetaren Scheibe unseres Sonnensystems.Die supermassereichen Schwarzen Locher in den Zentrenvon Galaxien sind die Asche, die vom Akkretionspro-zess und der Quasar-Lichtemission ubrig gebliebenist. Ergibt sich aus Storungen des Umfelds erneut einAkkretionsprozess, und somit ein Wiederaufflammenintensiver Lichtemission, so spricht man von einemaktiven galaktischen Nucleus (AGN). (Quasare, derenLeuchtkraft mit der Zeit wechselt, werden als Blasarebezeichnet)

Quasare machen extrem entfernte und entsprechendjunge Galaxien sichtbar. Sie zeigen, wie die Masseder Schwarzen Locher im Zentrum zunimmt, und soWerte von einigen Millionen bis zu einigen MilliardenSonnenmassen erreicht. Quasare gehoren zu den fernstenbeobachtbaren Objekten, Zwei besonders fruhe Quasare,die man 12,7 Milliarden Lichtjahre entfernt beobachtethat, zeigen in ihrem Umfeld deutlich weniger Staubals spter entstandene, es fehlten die vorangegangenenSternexplosionen.

Die Beobachtung von Quasaren zeigt, dass es su-permassereiche Schwarze Locher geben muss. Sie lasstjedoch offen, aus welcher Situation heraus diese ent-standen sind und ob alle Galaxien in ihrem Zentrumein entsprechend massereiches Schwarzes Loch besitzen.Inzwischen hat man fur eine Anzahlt von Galaxienexperimentelle Information uber die Dichte der Sterneund der Geschwindigkeiten der Sterne bei ihrer Bewe-gung um das gemeinsame Gravitationszentrum. Dannwird bei kleinen Abstanden vom galaktischen Zentrumdie Gegenwart eines massereichen Schwarzen Lochsevident, sofern dessen Masse im Bereich von MillionenSonnenmassen und mehr liegt. Es zeigt sich, dass alleelliptischen Galaxien im Zentrum ein Schwarzes Loch

haben. Deren Masse ist proportional zur Masse derGalaxie, und liegt bei 1 bis 2 Promille. In der riesigenVirgo Galaxie M87, nur 54 Millionen Lichtjahre vonuns entfernt, hat das Schwarze Loch eine Masse von 6,6Milliarden Sonnen. Spiralgalaxien hingegen haben nurdann ein massereiches Schwarzes Loch, wenn diese imzentralen Bereich einen Bulge (Ausbauchung) zeigen. EinBulge entspricht einer elliptischen Galaxie in kleineremMaßstab, und ist in ihrer stellaren Zusammensetzungunabhangig von der Zusammensetzung der außerenScheibe mit Spiralstruktur. Ein Beispiel dafur ist dieAndromeda Galaxie M31, 2,5 Millionen Lichtjahre vonuns entfernt, mit einem Schwarzen Loch einer Masse von140 Millionen Sonnen. Eine Spiralgalaxie ohne Bulgeist M31 im Dreiecksnebel, nach Andromeda die zweithellste Galaxie am Nachthimmel, 2,8 Millionen Licht-jahre von uns entfernt. Fur diesen konnte die Existenzeines Schwarzen Lochs mit einer Masse oberhalb voneinigen Tausend Sonnen ausgeschlossen werden. DieMilchstraße zeigt im Zentrum zwar auch eine Ausbau-chung, einen Bulge, der jedoch ubergeht in einen Balken.Deshalb hat sie, obwohl in der Masse vergleichbar mitder Andromeda Galaxie, ein Schwarzes Loch mit einerwesentlich kleineren Masse von nur 4,3 Millionen Sonnen.

Man kann diese Beobachtungen in die Vorstellungeinordnen, dass in den gleichsinnig rotierenden Scheibenvon Spiralgalaxien eine alles beherrschende Rotationspektakulare Akkretionsprozesse im Zentralbereichverhinderte. Dies steht im Kontrast zu elliptischenGalaxien, in denen die einzelnen Sterne alle moglichenUmlaufsrichtungen um das galaktische Zentrum zeigenund in denen alle Sterne alt sind. Offensichtlich gin-gen diese hervor aus einer naherungsweise spharischsymmetrischen Zustromung von Gas und Sternen. AmAnfang erzeugte das zentral einstromendes Gas einenso massereichen Stern, dass dieser direkt kollabierteund ein schwarzes Loch bildete. Dessen Masse wuchsrasch an durch weiter zustromendes Gas und durchAkkretionsprozesse, die auch die zustromenden Sterneeinschloss. Schließlich endete die Sternbildung, da aufGrund der bei diesen Prozessen frei gesetzten Energiealles sternbildende Gas fort geblasen war. Dies er-klart die weitgehend einheitliche Struktur, die Bulgesmit elliptischen Galaxien gemeinsam haben, und dasfeste Verhaltnis der Masse des zentralen supermassi-ven Schwarzen Lochs mit seiner Galaktischen Umgebung.

Falls im Laufe der Entwicklung Galaxien kollidierenund verschmelzen, werden fur die entsprechend viru-lenten Situation auch Werte von bis zu 10 oder mehrakkretierten Sonnenmassen pro Jahr diskutiert. DieJets ergeben sich aus der Rotation der vom SchwarzenLoch akkretierten Materie und den damit verbundenenMagnetfeldern. Diese fuhren den kleineren Teil derakkretierenden Materie am Schwarzen Loch vorbeiund beschleunigen diesen so stark, dass er entlang derAchse mit Geschwindigkeiten von bis zu 99 Prozent der

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Lichtgeschwindigkeit als Plasmastrahl abgestoßen wird.Die intensiv leuchtenden Jets haben eine Lange von -zigTausend Lichtjahren und mehr.

Die dem Quasar-Mechanismus zugrunde liegenden Pro-zesse lassen sich auch zeitnah beobachten, etwa im Zen-trum des Virgo Galaxienhaufens. Die beobachtete Akti-vitat dort ist jedoch eher gering, wenn man mit der ur-sprunglichen Aktivitat in der Entstehungsphase der Ga-laxie vergleicht. In entsprechender Weise hat man ein1992 beobachtetes kurzzeitige Aufleuchten eines Objekts(hinter dem Andromedanebel) verstanden als Akkretiondes Materials eines schweren Sterns, den Gezeitenkraftezerrissen hatten. Es ist ublich, bei diesen Prozessen, denVorgang beschreibend, von aktiven galaktischen Kernenzu sprechen und den Begriff Quasar auf die fruhe Phasezu beschranken.

D. Das Zentrum der Milchstraße, ein SchwarzesLoch

Das Zentrum der Milchstraße liegt im Sternbild desSchutzen und ist hinter dunklen Gaswolken verborgen.Im Unterschied zum sichtbaren Licht ist es jedoch imBereich der Radiowellen-, Infrarot- und Rontgenstrah-lung zu beobachten. Das massereiche Schwarze Loch imZentrum zeigt sich als starke Radioquelle, in dieser Formkennt man es seit 1932, bezeichnet als Sagittarius A*.In den letzten 15 Jahren wurden vom Zentrum immerbessere Aufnahmen gemacht. Mit diesen wurde 2004in einer Doktorarbeit in Munchen (ich war Mitgliedder Prufungskommission) erstmals gezeigt, dass ineinem sehr kleinen Bereich des Zentrums die Masse von4,3 Millionen Sonnen konzentriert ist. Sieht man abvon vollig exotischen Formen der Materie, fur die eskeinerlei experimentelle Evidenz gibt, so erzwingt dieseBeobachtung die Existenz eines Schwarzen Lochs miteben dieser Masse von 4,3 Millionen Sonnen.

Entscheidend war die Beobachtung des nachstliegendenSterns, S2, der das supermassereiche zentrale SchwarzenLoch im Abstand von etwa 17 Lichtstunden in nur 15,2Jahren umlauft. Dabei erreicht er Geschwindigkeitenvon bis zu 5000 km/sec Im Abstand von weniger alseinem halben Lichtjahr umkreisen weitere beobachteteSterne dieses Zentrum, und alles folgt den Gesetzen,die Kepler fur die Planetenbahnen um die Sonne fand.Mit Newtons Gesetz der Gravitation ergab sich darausdie Masse des Zentrums zu den genannten 4,3 MillionenSonnenmassen, und somit ein Schwarzschildradius zu 10Millionen km. Das supermassereiche zentrale SchwarzeLoch der Milchstraße ist derzeit optisch nicht aktiv. DieRadiostrahlung wird von einer Akkretionsscheibe alsSynchrotronstrahlung emittiert. Dies zeigt die Existenzstarker Magnetfelder, das Plasma ist jedoch zu dunn,um thermisch Licht zu emittieren. Magnetische Instabi-litaten, spontane Rekonnexionen, erzeugen gelegentlich

Flares, die im Infrarot- und Rontgenbereich fur etwa1 Stunde aufscheinen. Es gibt Hinweise, dass diese imBereich der innersten stabilen kreisformigen Umlaufbahnmit einer Periode von 15 Minuten das zentrale SchwarzeLoch umlaufen.

Innerhalb weniger 10 Lichtjahre vom Zentrum ist dieDichte von Sternen extrem hoch, dazu kommen noch vie-le tausend Stellare Schwarze Locher mit Massen von ty-pisch 5 bis 10 Sonnenmassen, die man aus deren Bindungzu Doppelsternen identifiziert.

E. Eine Zwischenbilanz

Zur Verteilung der Materie im Kosmos gibt esAbschatzungen. Diese besagen, dass etwa 10 Prozent derMaterie in Galaxien gebunden ist, und die verbleibenden90 Prozent uberwiegend ein heißes intergalaktischesGas bilden. Dieses Gas steht in Wechselwirkung mitden Galaxien, es besteht aus Material, das von denGalaxien aufgrund ihrer Aktivitat abgestoßen wurdeund in verdichteten Bereichen, Filamenten, den Raumin dynamisch strukturierter Weise durchzieht, und sichdabei von einer Galaxie zur nachsten bewegt. Dement-sprechend hat man davon auszugehen, dass die schwerenElemente des Sonnensystems, aus denen wir bestehen,zum Teil auch von anderen Galaxien stammen kann,auf Grund dieses großraumigen Geschehens. Man hatInformationen uber das intergalaktische Gas aus denSpektren ferner Quasare, in denen die beigemischtenschwereren Elemente Absorptionslinien erzeugen, undvon Emissionen im Rontgenbereich. Die Auswertung istGegenstand aufwandiger Simulationsrechnungen.

In den Galaxien ist der Anteil von interstellarem Gasklein im Vergleich zur Materie, die in Sternen gebun-den ist. In Schwarzen Lochern befinden sich mehrereProzent der insgesamt in Sternen gebundenen Materie.Uberwiegend sind dies Stellare Schwarze Locher von ty-pisch 10 Sonnenmassen. In den Supermassereichen Ga-laktischen Kernen sollen nur etwa 3 Prozent der insge-samt in Schwarzen Lochern gebundenen Materie gesam-melt sein.

V. MAGNETFELDER, KOSMISCHESTRAHLUNG

Das sich ausbreitende Material, insbesondere in denFronten von Supernova-Explosionen und den Jets vonQuasaren, erzeugt elektrische und magnetische Felder.Die von den Supernova-Explosionen ausgestoßene Ma-terie bewegt sich mit Geschwindigkeiten von wenigenProzenten der Lichtgeschwindigkeit. Durch Strahlungionisiert sie das interstellare Gas, sodass dieses von denMagnetfeldern der ausgestoßenen Materie gebundenwird. Das gesamte Material des passierten Bereichs wird

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gesammelt, und entsprechend nimmt mit wachsenderMasse die Geschwindigkeit der bewegten Materie ab.Den außeren Bereich, in dem die Geschwindigkeit derinterstellaren Materie in die der ausgestoßenen Materieubergeht, bezeichnet man als Stoßfront. In ihr wirddie Materie verdichtet und erhitzt, und es entstehen soinsbesondere auch die Magnetfelder, die den Prozessbewirken. Diese haben wechselnde Orientierungen, manspricht von turbulent strukturierten Magnetfeldern.

Diese Magnetfelder in den bewegten Stoßfronten wirkenals Beschleuniger: von außen einfallende schnelle, elek-trisch geladene Teilchen, Ionen oder Elektronen, prallenvon diesen ihnen entgegenkommenden turbulentenMagnetfeldern elastisch ab. Dabei wird die Bewegungs-energie der Plasmafront auf die Ionen ubertragen. Diekinematische Situation ist vergleichbar mit der, diewir fur die Raumsonde Voyager und den entgegen-kommenden Planeten Jupiter diskutiert hatten. Beidiesem Vorgang nimmt die Energie der schnellen Ionenjeweils um einen bestimmten Faktor zu. Bei Supernova-Fronten liegt dieser zwar nur im Prozentbereich, jedochpotenziert sich dieser Faktor mit der Anzahl der Wie-derholungen. Eine haufige Wiederholung ergibt sich ausdem Umstand, dass sich im Aussenbereich der Stoßfrontebenfalls ein turbulentes Magnetfeld aufbaut, welches je-doch naherungsweise im Raum ruht. Prallen von diesemdie ruckgestreuten schnellen Ionen ebenfalls elastisch ab,so behalten sie ihre Energie. Danach wiederholt sich derbeschriebene Prozess des Abprallens von den bewegtenturbulenten Magnetfeldern, jetzt jedoch mit erhohterAnfangsenergie. Man hat so eine vielfach wiederholteBeschleunigung. Sie endet erst, wenn die schnellenIonen, auf Grund einer zu hohen Energie, durch dieFelder nicht mehr zuruckgefuhrt werden konnen. Indiesem Zusammenhang ist nun entscheidend wichtig,dass der Strom der in dieser Weise zirkulierendenschnellen Ionen die turbulenten Magnetfelder, welcheihre Ruckstreuung bewirken, signifikant verstarken.Diesen Prozess der Selbstverstarkung kann man mo-dellmaßig rechnen, und erhalt so eine Beschreibung, diekonsistent ist mit sehr detaillierten Beobachtungsdaten.Die Stoßfronten sind dunn verglichen mit dem Abstandvom Zentrum zur Supernova-Explosion. Naherungsweisehomogene Teilbereiche in diesen turbulenten Magnet-feldern sind klein im Vergleich zur Dicke der Stoßfronten.

Der beschriebene Mechanismus der Beschleunigungwirkt auch auf Elektronen. Wegen ihrer geringen Massejedoch strahlen diese in den Magnetfeldern Synchrotron-Strahlung ab, und so verlieren sie ihre Energie auchwieder. Synchrotron-Strahlung breitet sich, ebenso wieGamma-Strahlung, linear aus. Ihre Beobachtung zeigtuns direkt die Orte, an denen die Beschleunigung statt-gefunden hat: Bei der von Tycho Brahe beobachtetenSupernova sieht man außerhalb des heute sichtbarenBalls von expandierenden Resten Synchrotron-Strahlungaus einer Haut, die knapp außerhalb des Balls zu schwe-

ben scheint. Deren Intensitat ist strukturiert und andertsich mit der Zeit, dies passt zur Vorstellung turbulenterMagnetfelder. Die Frequenz der Synchrotron-Strahlungzeigt, dass die Starke dieser Magnetfelder weit uberdem Wert im interstellaren Medium liegt, und dassdie Elektronen Energien haben, die diejenigen der anden großten Teilchen-Beschleunigern erreichten um einVielfaches ubertreffen. Diese hohen Energien zeigen sichauch direkt in der extrem harter Gamma-Strahlungwelche Supernova-Reste emittieren.

Die an der Beschleunigung teilnehmenden Elektronenund Ionen sind nur sehr wenige im Vergleich zur An-zahl der ionisierten Teilchen in den Stoßfronten. Auchwenn diese wohl aus der Stoßfront zum Zeipunkt desSupernova-Ereignisses stammen, ist noch nicht ganzklar ist, wodurch sie sich damals unterschieden. Beidem nachfolgenden Prozess der Beschleunigung geht esimmer nur um die Wechselwirkung mit magnetischenFeldern, die von einer Vielzahl von Ionen erzeugtwurden. Fur die kinetischen Energien der von diesenFronten beschleunigten Ionen ergeben Abschatzungen,dass sie etwa 10 bis 20 Prozent der Bewegungsenergieder von der Supernovaexplosionen ausgestoßene Materiewegtragen. Diese Ionen, die Victor Hess 1912 entdeckteund als Hohenstrahlung bezeichnete (Nobelpreis 1936),sind uberwiegend Protonen und Helimkerne. Jedochfindet man auch schwerere Atomkern, insbesondere beiden hochsten Energien. Deren Haufigkeiten entsprichtihrer Bildung in Supernovae. Auch erkennt man, dasseinige von ihnen in der langen Zeit ihrer Existenz alsschnelles Ion Nukleonen verloren hatten, in Stoßen mitanderen Atomkernen.

Die Haufigkeit hochenergetischer Ionen nimmt mit ihrerEnergie stark ab. Die hochsten beobachteten Energienkonnen uber den diskutierten Supernovae-Mechanismusnicht erzeugt werden, sodass wohl nur Prozesse imextragalaktischem Raum in Frage kommen. Als Quellenwerden diskutiert Stoßfronten, die sich beim schnellenDurchdringen von Galaxienhaufen ergeben, oder dieJets aktiver galaktischer Kerne. Den derzeitigen mo-dellmaßigen Rechnungen gelingt es jedoch nicht, dieWerte der maximal beobachteten Energien darzustellen.Als Quellen kommen nur die uns relativ nahen inFrage, da mit zunehmender Energie der Energieverlustdurch Streuung an kosmischer Hintergrundstrahlung dieReichweite bestimmt. Da die Ionen mit den hochstenEnergien von den magnetischen Feldern des interga-laktischen Raums nur wenig abgelenkt werden, hofftman aus der Verteilung der beobachteten Richtungenrelativ nahen Quellen zuzuordnen. So wurde CentaurusA, nur 14 Millionen Lichtjahre entfernt, als Kandidatgehandelt, jedoch ist fur eindeutige Aussagen die Anzahlder Messpunkte noch viel zu gering.

Zu beiden Seiten der Scheibe der Milchstrasse findetman je einen ausgedehnten Bereich (Blase) von etwa

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25 Tausend Lichtjahren Durchmesser, der energiereicheGammastrahlung (1 bis 100 GeV) emittiert. Diesesollte von energiereichen Elektronen erzeugt werden,die an langwelligem Licht streuen. Dazu passt, dassaus dem selben Bereich auch langwellige Strahlungzu beobachten ist, die sich als Synchrotron-Strahlungdieser Elektronen in den Magnetfeldern der Galaxieerklaren lasst. Die Rotationssymmetrie dieser Blasen zurAchse der Scheibe legt nahe, dass vor einigen MillionenJahren der galaktische Kern aktiv war, und akkretierteMaterie in Jets abstrahlte, in deren Folge die Elektronenbeschleunigt wurden.

In Galaxien beobachtet man Magnetfeldern der Starkevon einigen Mikrogauss. Bei Spiralgalaxien entspricht dieOrientierungen dieser Felder in etwa der Spiralstruktur.Das Feld im intergalaktische Medium von Galaxienhau-fen ist um etwa zwei Großenordnungen kleiner. Inzwi-schen scheint man die Ursache dieser Felder zu verstehen.Man lernt aus numerische Rechnungen, in denen die Ga-laxienentwicklung und auch die Kollisionen von Galaxienreproduziet werden, dass die Magnetfelder aus der Kol-lision von Galaxien herruhren sollten. Dabei wird die ki-netische Energie der erzeugten turbulenten Stromungenumgesetzt in magnetische Feldenergie, bis sich ein Artvon Gleichgewicht herstellt. Dabei ist interessant, dasssich dieses sich als weitgehend unabhangig von der Starkeeines anfanglichen (seed) Felds erweist. In den Rechnun-gen wurde dies um Großenordnungen kleiner oder großerangesetzt.

VI. GRAVITATIONSWELLEN

Falls sich die supermassereichen Schwarzen Locher inden Zentren von Galaxien mit ihren extrem starkenGravitationsfeldern beschleunigt bewegen, werden siezu Quellen energiereicher Gravitationswellen. Gravita-tionswellen sind lokal fortschreitende Kompressionender Raum-Zeit Geometrie. Man erwartet sie, wenn nachder Vereinigung zweier Galaxien deren Kerne eine denDoppelsternsystemen analoge Struktur bilden. Bei ihrerBewegung um den gemeinsamen Schwerpunkt strahlendie Schwarzen Locher Gravitationswellen ab. Auf Grunddes damit verbunden Energieverlusts kommen sie sichdabei immer naher, bis sie schließlich verschmelzen. ZweiBeispiele dafur wurden kurzlich identifiziert:

In einer 3,5 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxieim Sternbild Krebs umkreist mit einer Periode von nurzwolf Jahren ein Schwarzes Loch von 100 MillionenSonnenmassen das zentrale Schwarze Loch von 18Milliarden Sonnenmassen. Dies ist das massereichste,das wir derzeit kennen. Bei jedem Umlauf passiertes zwei mal die Akkretionsscheibe des Zentrums. Dieentsprechende Anderung der Helligkeit macht denVorgang sichtbar. Aus der Beobachtung wahrendmehrerer Umlaufe sieht man, dass Gravitationswellen

abgestrahlt wurden. Die Berechnungen im Rahmen derAllgemeinen Relativitatstheorie ergeben die genanntenMassen und die Prognose, dass die beiden SchwarzenLocher in etwa zehntausend Jahren vereinigt sein werden.

Bei Vorgangen dieser Art konnen einige Prozent der Ru-henergie abgestrahlt werden, wobei die Abstrahlung un-mittelbar vor der Vereinigung besonders intensiv ist, esgeht hier um eine Zeitskala von weniger als einem Um-lauf. Entsprechend hat man dann nicht mehr die durchden Umlauf gegebene Symmetrie der Abstrahlung, eskann vielmehr eine Richtung bevorzugt werden. Berech-nungen zeigen, dass diese einseitig gerichtete Gravita-tionsstrahlung einige Promille der insgesamt freigesetz-ten Gravitationsenergie enthalten sollte. Der Ruckstoßauf den vereinigten galaktischen Kern ist dann so groß,dass dieser aus dem System der Galaxis herausgeschos-sen werden kann. Entsprechend sollte es kernlose Gala-xien und sich davon rasch wegbewegende supermasserei-che Schwarze Locher geben. Eine entsprechende Beob-achtung wurde im Mai 2008 (Pressemitteilung des Max-Planck-Institut fur extraterrestrische Physik) berichtet:Zehn Milliarden Lichtjahre von uns entfernt bewegt sichein Schwarzes Loch von einigen 100 Millionen Sonnen-massen mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Pro-zent der Lichtgeschwindigkeit weg von seiner Mutterga-laxie. Das Schwarze Loch ist sichtbar, da es etwas Mate-rie aus dem zentralen Bereich der Galaxie mitgenommenhat.

VII. VERTEILUNG DER GALAXIEN, DUNKLEMATERIE

Fast alle Sterne finden sich in Galaxien. In ihrem Zentrumhaben diese wohl alle ein supermassereiches SchwarzesLoch von Millionen oder auch Milliarden Sonnenmassen,und darum umlaufend einige Millionen bis zu mehrerenHunderten von Milliarden Sterne. Die schon von Her-schel entdeckte riesige elliptische Galaxie NGC 4889 imKomahaufen, im Sternbild Haar der Berenike, hat in ih-rem Zentrum das schwerste bekannte Schwarzes Loch,mit einer Masse von ca. 21 Milliarden Sonnen. Im ge-samten sichtbaren Universum gibt es etwa 100 MilliardenGalaxien. Man geht davon aus, dass ihre Anzahldichtekonstant ist, sofern man Mittelwerte uber sehr große Be-reiche des Kosmos nimmt. Betrachtet man jedoch weni-ger große Bereiche, so ist die Verteilung der Galaxien imRaum alles andere als homogen. Lokale Bereiche hoherDichte sind verbunden durch fadenartige Strukturen (Fi-lamente), sie bilden ein Netzwerk mit Leerraume (voids),und dies in unterschiedlichen Großen. In dieser Vertei-lung beobachtet man Galaxiengruppen, -haufen (cluster)und -superhaufen. Sie bewegen sich relativ zueinanderauf Grund ihrer gravitativen Anziehung. Derzeit analy-siert man die Verteilung von knapp einer Million Galaxi-en.

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A. Galaxiengruppen und Galaxienhaufen

Bei kleineren Ansammlungen von weniger als 50 Gala-xien in einem Volumen mit einem Durchmesser von biszu 10 Millionen Lichtjahren spricht man von Gruppen.Ihre Masse liegt bei 10 Billionen Sonnenmassen. DieGeschwindigkeiten ihrer Mitglieder variieren um etwa150 km/s. Unser Milchstraßensystem ist Teil der obenbeschriebenen Lokalen Gruppe. Zu ihr gehoren derAndromeda-Nebel und die Magellanschen Wolken.

Unsere Lokale Gruppe ist Teil des Virgo-Superhaufensmit dem bereits angesprochenem Virgo-Galaxienhaufenim Zentrum. Dieser Galaxienhaufen besteht aus min-destens 1300, vermutlich aber uber 2000 Galaxien ineinem Bereich von 9 Millionen Lichtjahren Durchmesser.Der Virgo-Galaxienhaufen ist 65 Millionen Lichtjahrevon uns entfernt. Die Galaxien in Haufen bewegen sichim gemeinsamen Schwerefeld, sie gelten als die großtengravitativ gebunden Strukturen. Charakteristisch furGalaxienhaufen ist ihr intergalaktisches Gas, Wasserstoffund Helium. Die Masse des Gases ist etwa funfmalgroßer als die der Gesamtheit der Sterne des Haufens.Das Gas hat eine Temperatur von 10 bis 100 MillionenGrad, und emittiert Rontgenstrahlung entsprechendkurzer Wellenlange. Die hohe Temperatur verhindertjede weitere Sternbildung Die Intensitat dieser Ront-genquellen entspricht der Masse des entsprechendenGalaxienhaufens und identifiziert diesen eindeutig. EinPionier der Rontgenbeobachtung war Riccardo Giacconi(Nobelpreis 2002). Ihm gelangen bereits 1962 mitDetektoren in Raketen die ersten Beobachtungen.

In der Mitte von Galaxienhaufen befindet sich oft ei-ne riesige elliptische Galaxie. Beim Virgo-Galaxienhaufenetwa hat diese die 300-fache Masse unserer Milchstraße,wahrend Galaxien am Rand meist Spiralgalaxien sind. ImGegensatz zu den flachen Spiralgalaxien haben die Ster-ne in den elliptischen Galaxien keine einheitliche Um-laufrichtung. Das passt zu der Vorstellung, dass diesesehr rasch entstanden waren, aus der Verschmelzung nochjunger Galaxien. Solche Prozesse kann man auch relativnahe beobachten. Die irregulare Galaxie NGC 6240 ent-stand vor 30 Millionen Jahren aus der Kollision zweierGalaxien mit einem hohen Anteil von Gas. Dies zunde-te ein Feuerwerk der Sternentstehung, man spricht voneinem Starburst. Die Galaxie erscheint viel heller als an-dere gleicher Masse. Dementsprechend sind die beidengalaktischen Kerne, die sich derzeit in einem Abstandvon 3.000 Lichtjahren umkreisen, hoch aktiv. Die Gala-xie strahlt intensiv im gesamten Bereich, von Radiowellenbis zur harten Gammestrahlung. Bei der Bildung der el-liptischen Galaxien waren diese Prozesse, der Starburst,noch intensiver, auch blieb keine Zeit, eine durch denDrehimpuls dominierte Scheibe zu bilden. Wegen IhrerLeuchtstarke sind diese Quasare die fernsten beobacht-baren galaktischen Objekte.

B. Dunkle Materie

Die Kenntnis der Astronomen von der Verteilung derMaterie in Form von Sternen und Gas im Raum bringtdie Frage auf, ob die beobachteten Geschwindigkeitenvon Sternen oder Galaxien mit den beobachteten Ver-teilungen der Masse zusammenpassen. Die NewtonschenGesetze geben ja einen eindeutigen Zusammenhang. DieAntwort heißt: bei kleinen Abstanden geht das sehr gut,bei großen Abstanden jedoch erscheinen die Bewegungenals zu schnell! Die Bewegung der Kugelsternhaufen amRande der Galaxis zeigen eine Masse der Galaxis vonetwas uber 1000 Milliarden Sonnenmassen. Diese lasstsich nur schwer allein aus der beobachteten Materieerklaren. Seit Neuestem gibt es Messungen an kaltemWasserstoffgas im Aussenbereich der Galaxien. Beiunserer Galaxis folgt aus den Umlaufgeschwindigkeiten,dass in einem Abstand von 10 Radien der Scheibe diegravitativ wirksame Masse etwa 10 mal großer ist als diebeobachtete.

Eindeutig ist die Situation, wenn man Bewegungenvon Galaxien um Galaxienhaufen berechnet. Fur denComa-Galaxienhaufen, etwa 300 Millionen Lichtjahreentfernt, stellte schon 1933 Fritz Zwicky eine extremeDiskrepanz fest und postulierte, dass die fehlendeMasse in Form einer Dunklen Materie vorliegen musse.Damals wurde das naturlich nicht akzeptiert. Auf Grundseiner Daten vermisste Zwicky einen Faktor 400. AlleBeobachtungen heute passen zu der Aussage, dass ingroßskaligen Strukturen auf einen Teil gewohnlicherMaterie 5 bis 6 Teile Dunkler Materie kommen. DieMasse der gewohnlichen Materie ist weitgehend durchdie der Atomkerne bestimmt, deswegen spricht manzur Unterscheidung der gewohnlichen von der DunklenMaterie von Baryonischer Materie. Es ist Konvention,mit dem Begriff Materie alles zusammenzufassen, wasunter dem Einfluss der Gravitation seine Bewegungandern und so raumlich konzentrieren kann.

Dunkler Materie konnen wir, außer der Teilnahme ander Gravitation und vielleicht auch an der schwachenWechselwirkung, keine der uns sonst bekannten Wech-selwirkungen zuordnen. Die Frage, aus welcher Artvon Teilchen Dunkle Materie besteht, bleibt bisherunbeantwortet. Sie motiviert naturlich die Suche nacheiner Physik jenseits des Standardmodells der Teilchen-physik. Kandidaten sind Teilchen aus einem Modell derSupersymmetrie. Es gibt aufwandige Apparaturen umhypothetisch angenommene Teilchen der Dunklen Ma-terie in speziellen Detektoren nachzuweisen. Da DunkleMaterie nicht der Starken und der ElektromagnetischenWechselwirkung unterliegt, werden ihre Teilchen kauman Streuprozessen beteiligt sein.

Deshalb durchdringen Teilchen Dunkler Materie Berei-che normaler oder Dunkler Materie ohne Energiever-lust durch Streuung. Das unterscheidet sie grundsatz-

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lich von normaler Materie. Bei letzterer fuhren Streu-prozesse in bereits verdichteten Bereichen zum Einfangund somit zur weiteren Erhohung der Dichte dieser Be-reiche. Dunkle Materie hingegen kann von lokalen Berei-chen erhohter Dichte nur dann eingefangen werden, wenndie Masse des lokalen Bereichs wahrend einer Durchlaufs-zeit zugenommen hat. Dann ist beim Herauslaufen dasFeld der Gravitation großer als beim Hineinlaufen, so-dass das passierende Teilchen kinetische Energie verliert.Ubertrifft der Verlust an kinetischer Energie die kineti-sche Energie zu Anfang, so ist das Teilchen gefangen undvergroßert somit die Masse des lokalen Bereichs. Es han-delt sich also um einen dynamischen, selbstverstarken-den Prozess. Die eingefangenen Teilchen Dunkler Mate-rie durchlaufen das Gravitationsfeld des verdichteten Be-reichs in periodischen Bahnen, ohne Dampfung. Mit zu-nehmender Masse des verdichteten Bereichs wachst dieStarke des bindenden Potentials des Gravitationsfelds.Daraus folgt, dass im Zentrum des verdichteten Bereichsdie kinetische Energie der Teilchen der Dunklen Mate-rie breit gestreute Werte zeigen. Die Teilchen mit sehrkleiner kinetischen Energie sollten bereits sehr fruh ein-gefangen worden sein, als der Bereich noch wenig Massehatte, und die mit den großten kinetischen Energie erstzu einer Zeit, zu der die Masse bereits den aktuellen Werthatte. Dies setzt voraus, dass die verdichteten Bereichesich kontinuierlich entwickelt hatten. Sie bleiben ausge-dehnt, da der Ubergang von kinetischer Energie in ther-mische Energie entfallt. Ihr gravitatives Feld ist entschei-dend fur die Bildung von Galaxien und Galaxienhaufen.Die Dichte Dunkler Materie ist im Zentrum einer Gala-xie maximal und fallt dann mit dem Abstand stark ab.Vergleicht man die Dichte im Zentrum mit der bei uns,so sollte sich diese um einen Faktor Hundert bis Tausendunterscheiden. In großeren Abstanden sollte sie mit derdritten Potenz abnehmen.

C. Gravitationslinsen, der Bullet-Cluster

Um gravitativ wirkende Massen, inklusive der DunklenMaterie, zu messen, ist der Gravitationslinsen-Effektbesonders interessant. Galaxienhaufen lenken auf Grundihrer großen Masse Licht besonders effektiv ab. Waredie Verteilung ihrer Masse ideal spharisch, so wurdenwir Lichtquellen dahinter nicht als Punkte, sondern alskonzentrische Ringe oder Ellipsen sehen. Tatsachlichsieht man eine Anzahl von kurzen Kreissegmenten,d.h., die Ringe oder Ellipsen erscheinen zerfleddert ineine Anzahl kurzer Kreissegmente. Ursache dafur sindAbweichungen von einer ideal spharischen Verteilung.Gelingt es die beobachteten Segmente verschiedenenLichtquellen richtig zuzuordnen, so kann man fur denGalaxienhaufen auf die Masse und naherungsweise auchauf deren Verteilung ruckschließen.

Eine spektakularen Situation im Sternbild Carina, amSudhimmel, wurde beruhmt: Ein Galaxienhaufen war

fast frontal in einen zweiten, etwas großeren eingedrun-gen. Bei einer Geschwindigkeit von mehr als einemProzent der Lichtgeschwindigkeit wirkte er dabei wie einGeschoss, daher der Name Bullet-Cluster. Wir sehen dieSituation im Abstand von 4 Milliarden Lichtjahren. Dereigentliche Zusammenstoß geschah 150 Millionen Jahrefruher. Es gelang, die Verteilungen der Galaxien, desGases und der Dunklen Materie zu beobachten.

Dabei zeigen die Galaxien und die Dunkle Materiein etwa die gleichen Verteilungen. Sie erscheinen alszwei bereits getrennte, spharische Bereiche, ganz so,als ob sie die wechselseitige Durchdringung weitgehendunbeschadigt uberstanden hatten. Das entspricht denphysikalischen Vorstellungen: Fur fast alle der schnellund in einigem Abstand aneinander vorbeilaufenden Ga-laxien bewirkt die gravitative Wechselwirkung nur kleineAblenkungen. Fur die Dunkle Materie ist, auf Grundder obigen Diskussion, entsprechendes zu erwarten.

Anders stellt sich die Situation dar fur das heiße Gas,dem Plasma, aus dem die normale Materie in Galaxien-haufen uberwiegend besteht. Die Stoße folgen der elek-tromagnetischen Wechselwirkung, die viel starker ist alsdie gravitative. Die mit einer Geschwindigkeit von 1 Pro-zent der Lichtgeschwindigkeit eindringenden Gaswolkenwerden infolgedessen abgebremst, ihre kinetische Ener-gie wird in thermische umgesetzt. Bei Temperaturen vonnahezu 100 Millionen Grad leuchtet das Gas strahlendhell im Bereich des harten Rontgenlichts. In dem erhitz-ten Gas bewegt sich der Galaxienhaufen schneller als derSchall. Dementsprechend beobachtet man im Rontgen-licht das Bild einer Stoßwelle, den so genannten Mach-schen Kegel, wie man dies von Photographien des Schall-drucks von Uberschallflugzeugen oder von Geschossenher kennt. Die Experten betrachten diese Daten, im Kon-text mit anderen Beobachtungen, als schone Visualisati-on der spezifischen Eigenschaften Dunkler Materie.

VIII. DER EXPANDIERENDE KOSMOS

Beobachtet man die von Fraunhofer im Spektrum desSonnenlichts entdeckten Spektrallinien an Sternen, soerhalt man die bereits diskutierte Information uber diechemische Zusammensetzung der außeren Atmosphare,aber auch uber die Geschwindigkeit, mit der sich einStern bewegt. Bewegt sich der Stern von uns weg, so sindfur alle beobachteten Spektrallinien die Wellenlangenum einen bestimmten Faktor vergroßert. Diesen Effektbezeichnet man als Rotverschiebung. Im Rahmen derElektrodynamik versteht man dies als Dopplereffekt ei-ner Lichtquelle, die sich von uns fortbewegt. Der Begriffstammt aus der Akustik und beschreibt dort die 1842von Christian Doppler gefundene Anderung der Tonhoheauf Grund der Bewegung der Schallquelle. Je großer dieGeschwindigkeit, desto großer der Effekt.

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A. Hubbles Entdeckung

Damit gelang um 1929 die entscheidend wichtige Ent-deckung, dass Galaxien sich von uns entfernen, undzwar um so schneller, je weiter sie weg sind. Als ersterhatte dies wohl Abbe Georges Lemaitre realisiert. Erverknupfte dies jedoch mit weitreichenden Schlussfolge-rungen, sodass ihm vorgeworfen wurde, das Universumhatte mit einem >big bang< begonnen. Das entsprachnicht den damaligen Vorstellungen. Man dachte denKosmos statisch. Die Entdeckung ist heute verbundenmit dem Namen von Edwin Hubble. Er bestimmte dieEntfernungen von Galaxien und stellte fest, dass mitwachsenden Entfernungen die von Vesto Slipher undanderen gemessenen Rotverschiebungen entsprechendzunehmen. Inzwischen hat sich dies als ein im Wortsinnuniversales Gesetz erwiesen. Heute kennt man Quasarein Galaxienhaufen, die ca. 13 Milliarden Lichtjahreentfernt sind. In ihrem Licht werden Spektrallinienidentifiziert deren Rotverschiebung einer Dehnung ihrerWellenlangen um einen Faktor 7 entspricht.

Diese Entdeckung besagt, dass wir ein expandierendesWeltall sehen. Die Expansion des Kosmos wird gerneverglichen mit einem großen Panettone. Dieser Hefeteigmit Rosinen darin geht beim Backen kraftig auf, undzwar so, dass die Abstande zwischen je zwei Rosinen mitder Zeit zunehmen, egal welche Rosine man betrachtet.Die Rosinen entsprechen den Galaxien oder Galaxien-haufen und der Hefeteig dem Raum. Dieses Bild vomexpandierenden Hefeteig soll auch ausdrucken, dass manan jeder Stelle des Kosmos die gleiche Situation hat.Man sagt, der expandierende Kosmos sei homogen undisotrop.

Die Expansionsgeschwindigkeit ist proportional zumAbstand. Das gilt fur jeden Abstand. Den Propor-tionalitatsfaktor bezeichnet man nach Hubble alsHubble-Konstante. Man sollte besser von einem Hubble-Parameter sprechen, da der der Proportionalitatsfaktorvom Alter des Kosmos abhangt. Nahme man vereinfa-chend die Expansion als zeitlich konstant an, so folgtaus Hubbles Gesetz, dass sich das ganze Weltall vor14 Milliarden Jahren in einem sehr kleinen Volumenbefunden haben sollte. Dies gibt zumindest eine Ori-entierung. Tatsachlich sollte die kinetische Energieder Expansion beeinflußt sein durch die Gravitation,die wechselseitigen Anziehung der Galaxien und allersonstigen Materie. Dementsprechend erwartet man einemit der Zeit verzogerte Expansion, beschrieben durcheine mit der Zeit abnehmende Hubble-Konstante. DerEffekt musste bei sehr weit entfernten Objekten zubeobachten sein. Denkt man in die Zukunft, so folgtdaraus auch die Frage, ob die Expansion irgendwanneimal zum Stillstand kommen wird.

Anders sieht es jedoch aus, wenn man den von AlbertEinstein eingefuhrten Begriff einer Kosmologischen Kon-

stante berucksichtigt und mit diesem im Rahmen der All-gemeinen Relativitatstheorie aktuelle Daten vergleicht.

B. Allgemeine Relativitatstheorie

Diese 1916 publizierte Theorie entstand aus EinsteinsEinsicht, dass Newtons Gesetz der Gravitation undEinsteins 1905 veroffentliche Spezielle Relativitats-theorie nicht zusammenpassen. Das Paradigma derEinsteinschen Relativitatstheorie ist die Konstanz derLichtgeschwindigkeit, und verbunden damit ist dieAussage, dass Information sich nicht schneller als mitLichtgeschwindigkeit ausbreiten kann. Deshalb suchteEinstein in Analogie zum elektrischen Feld eine Be-schreibung, in der das Feld der Gravitation im Raumsich in Abhangigkeit von der Zeit entwickeln kann. AlsAusgangspunkt seiner Uberlegungen wird gerne genannt,dass man das beschleunigte Steigen oder Fallen in einemFahrstuhl als Anderung des eigenen Gewichts empfindet.Dies besagt, dass die Wirkung der Gravitation nicht zuunterscheiden ist von der Wirkung eines entsprechendbeschleunigten Bezugssystems.

Dementsprechend wird in seiner Theorie der Gravitationeine Beziehung hergestellt zwischen der Verteilung derMasse, und damit jeglicher Form der Energie, unddem geometrischen Verhalten von Raum und Zeit.Man spricht gerne von einer 4-dimensionalen Raumzeit,die gekrummt sein kann. Diese Theorie ist mathema-tisch sehr anspruchsvoll, und hat bis heute jeden Testbestanden. Die ersten Erfolge waren die Berechnungder sog. Periheldrehung des Planeten Merkur und dieAblenkung von Licht im Schwerefeld der Sonne. Diekorrekte Beschreibung von Schwarzen Lochern und dieAbstrahlung von Gravitationswellen hatten wir bereitsdiskutiert. Das Funktionieren der GPS-Systeme zurOrtsbestimmung ist eine weitere Bestatigung. Besonderswichtig wird die Allgemeine Relativitatstheorie zurBeschreibung des Kosmos in seiner Gesamtheit.

Im Rahmen dieser Theorie gelang Alexander Friedmann1922 die mathematische Beschreibung des Verhal-tens eines isotropen, homogen mit Materie erfulltenUniversums unter dem Einfluss der Gravitation. DasFriedmann-Modell besagt, dass unbewegte Objekteim Raum weiterhin unbewegt bleiben, der Raum alsGanzes sich jedoch ausdehnt, und weiterhin, dass eseinen Zeitpunkt gab, zu dem der Raum unendlich kleinwar. Dies bedeutet zum Einen, dass der physikalischeBegriff des Raums nur durch den Zusammenhang mitMaterie gegeben ist. So ware es sinnlos, sich in einenabsolutem Raum als Zuschauer zu denken, von demaus man das Schauspiel der Expansion des Kosmos wieauf einer Bhne ansehen kann. Zum Anderen definiertdas Friedmann-Modell einen Anfang. Diese absolutextreme Vorstellung von einem Anfang wird heuteetwas pauschal als Urknall oder Big Bang bezeichnet.

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Das Friedmann-Modell impliziert, dass man physikalischsinnvoll nur uber Zeiten nach dem Anfang sprechen kann.

Die Gravitation nimmt von den Eigenschaften der Ma-terie nur ihre Masse zur Kenntnis. Da in der SpeziellenRelativitatstheorie Masse und Energie aquivalent sind,wird Materie durch ihre Energiedichte beschrieben. Diesschließt ein die Ruhe-Energie der materiellen Teilchen,deren thermische Energie, und die Energie von Strah-lungsfeldern, nicht aber die Gravitationsenergien. Umdie Expansion des Kosmos zu beschreiben muss manwissen, wie die zum jeweiligen Zeitpunkt vorliegendeEnergiedichte sich mit der Expansion andert. Nimmtman einen gewissen, expandierenden Bereich, so bleibtin diesem die Anzahl der Atomkerne und Elektronenkonstant, und somit auch die eingeschlossene Ruhener-gie. Anders ist es mit der kinetischen oder thermischenEnergie. Diese wird abnehmen. In der Begriffsbildungder Thermodynamik wird das Verhaltnis von Energieab-nahme und Volumenvergroßerung als Druck bezeichnet.Dementsprechend wird in den Friedmann-Gleichungender Kosmos beschrieben durch Energiedichte und Druck.

Als Grenzfalle kann man Kalte Materie, hochrelati-vistische Materie und eine Kosmologische Konstanteunterscheiden: Man spricht von Kalter Materie, wenndie thermische Energie gering ist im Vergleich zurRuhenergie. Dann bleibt bei der Kosmischen Expansiondie im expandierenden Volumen eingeschlossene Energiekonstant, der Druck ist sehr klein. HochrelativistischeMaterie verhalt sich wie das elektromagnetische Strah-lungsfeld. Bei diesem nimmt die im expandierendenVolumen eingeschlossene Energie ab, dementsprechendist der Druck positiv und gleich einem Drittel derEnergiedichte. Die Auswirkung der KosmologischenKonstante, einer von Einstein formal eingefuhrtenGroße, welche die Raumzeit modifiziert, kann auch be-schrieben werden durch eine Energiedichte die wahrendder Expansion konstant bleibt. Dieses Verhalten bringtman mit dem Begriff der Dunklen Energie in Verbin-dung. Falls deren Energiedichte wahrend der Expansionkonstant bleibt, nimmt die Dunkle Energie im expan-dierenden Volumen zu, sie ware dann proportional zumVolumen. Diesem ungewohnlichen Verhalten entsprichtformal ein Druck mit negativem Vorzeichen, wobei derBetrag des Drucks gleich ist dem der Energiedichte. Beider Dunklen Energie handelt es sich um einen formalenAnsatz zur Beschreibung eines bestimmten Verhaltensder Expansion. Dabei bleibt offen woraus die DunkleEnergie physikalisch besteht. Die durch die DunkleEnergie implizierte Zunahme des Energieinhalts desKosmos ist nicht etwa eine wunderbare Erzeugung vonEnergie aus dem Nichts, sondern die Expansion einesFelds, dessen zunehmender Energieinhalt zu Lasten derGravitation entstanden ist. Die Allgemeine Relativitats-theorie erlaubt diese Art von Nullsummenspiel.

Der Begriff einer Krummung des Raums spielt in der

Allgemeinen Relativitatstheorie eine wichtige Rolle. EinBeispiel ist die Ablenkung von Lichtstrahlen in starkenGravitationsfeldern (Gravitatinslinsen-Effekt), die aufeine lokale Krummung des Raums zuruckgefuhrt wird.Im Fall der kosmischen Expansion verschwindet dieKrummung nur dann, wenn die kinetische Energie derKosmischen Expansion und die potentiellen Energieder Gravitation in einem vorgegebenem Verhaltniszueinander stehen. Seit kurzem ist man davon uberzeugtdass genau diese sehr spezielle Situation vorliegt. Dannbesagen die Friedmann-Gleichungen, dass der jeweilsaktuelle Wert der Energiedichte - inklusive einer DunklenEnergie - proportional ist zum Quadrat der Hubble-Konstanten. Gabe es nur die Dunkle Energie, dann waredie Hubble-Konstante von der Zeit unabhangig, aufGrund des Strahlungsfelds und der Materie nimmt siemit der Zeit ab.

Zum zeitlichen Verlauf der Expansion des Raums sagendie Friedmann-Gleichungen, dass sie fur Kalte und furrelativistische Materie verzogert ist, die Gravitationbremst die Expansion und die Hubble-Konstante wirdmit der Zeit kleiner. Fur Dunkle Energie jedoch istdie Expansion beschleunigt. Ausdehnung, Expansions-geschwindigkeit und Beschleunigung nehmen mit derZeit exponentiell zu. Dies liegt an ihrer spezifischenEigenschaft, die mit dem Kennwort negativer Druckverknupft ist.

Da mit der Expansion des Kosmos die Dichte der Ma-terie abnimmt, sollte irgendwann nur noch die DunkleEnergie ubrig bleiben. Dementsprechend sollte einerPhase verzogerter Expansion der Ubergang in eine Phasebeschleunigter Expansion folgen, sodass man dazwischeneinen Bereich weitgehend konstanter Expansion zuerwarten hat.

Dies lasst sich experimentell nur verifizieren durchMessungen von Entfernungen und von zugehorigenRotverschiebungen in einem sehr weiten Bereich. GroßeEntfernungen erhalt man aus den gemessenen Hellig-keiten nur dann, wenn die Leuchtkraft der jeweiligenQuellen bekannt ist. Hier spielen Supernovae, insbeson-dere die beschriebenen vom Typ-Ia, eine entscheidendeRolle. In einer kurzlich publizierten Arbeit wurden 21solcher Typ-Ia Supernovae in Entfernungen von bis zu9 Milliarden Lichtjahren vermessen. Aus diesen undanderen Daten folgt, dass wir uns gegenwartig bereits inder Phase der beschleunigten Expansion befinden, dasswir aber vor mehr als 7 Milliarden Jahren noch eineverzogerte Expansion hatten.

Wir werden noch weitere Beobachtungen zur kosmischenExpansion kennenlernen. Alles passt zusammen, wennman davon ausgeht, dass der Raum flach ist und dass dieDunkle Energie gegenwartig mit 70 Prozent zur gesam-ten Energiedichte beitragt. Wir durfen beim Kosmos alsGanzem bei den bereits von Euklid definierten Vorstel-

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lungen vom Raum bleiben. Ware der Raum gekrummt,so wurden sich in einem großen Dreieck die Winkel nichtmehr zu 180 Grad addieren. Weiterhin folgt aus derExistenz der Dunklen Energie, dass die Expansion desRaums kein Ende haben wird. Denkt man an die ferneZukunft, so wird das Hubble-Verhaltnis von Expansions-geschwindigkeit und Abstand auf einen festen Wert zu-streben, der durch die Dunkle Energie gegeben ist. Denktman an die Vergangenheit, so gibt es aus Beobachtun-gen zur Sternentwicklung ziemlich gut begrundete Min-destwerte fur ein Alter des Kosmos. Rechnet man nunvom aktuellen Wert der Hubble-Konstanten ruckwarts,so erhalt man ein entsprechend hohes Alter nur unterBerucksichtigung eines Beitrags von Dunkler Energie.

C. Die kosmische Rotverschiebung

Die Allgemeine Relativitatstheorie beschreibt die Expan-sion des Kosmos als Expansion des Raums. In dem Bildvon den Rosinen im Hefeteig stellt der expandierendeHefeteig den expandierenden Raum dar, in welchemdie Rosinen, das sind die lokalen Anhaufungen vonGalaxien, ruhen. In diesem Sinn hat man auch diekosmologische Rotverschiebung von Spektrallinien zuverstehen. Wir hatten die Rotverschiebung zunachstvorgestellt als Dopplereffekt einer Quelle, die sichim Raum vom Beobachter weg bewegt. Bewegt sichdie Quelle auf den Beobachter hin, so wie etwa derAndromeda-Nebel auf die Milchstraße, so hat man eineBlauverschiebung. Die entsprechenden Verschiebun-gen der Spektrallinien liegen im Bereich von einigenPromille oder weniger. Uberlagert jedoch wird dieserEffekt von einem weiteren, der aus der Expansion desRaums folgt. Es gibt also die individuellen Effekteauf Grund der (Pekuliar-) Bewegung der Galaxien imRaum, und zusatzlich den kosmischen Effekt, bei demim expandierenden Raum Quelle und Empfanger alsruhend (comoving) angenommen werden. Die kosmi-sche Expansion ist gleichbedeutend mit Rotverschiebung.

Der beobachtete Faktor, um den die Wellenlange desLichts dabei zugenommen hat, ist exakt gleich dem Fak-tor, um den seit der Zeit der Emission des Lichts dieLangenausdehnung des Raums zugenommen hat.

IX. DIE KOSMISCHEHINTERGRUNDSTRAHLUNG

Die zweite experimentelle Beobachtung, die in allen De-tails zur Physik eines expandierenden Universums passt,ist die Beobachtung einer Kosmischen Hintergrundstrah-lung im Mikrowellenbereich (der cosmic microwave back-ground, CMB). Wir diskutierten bei der SternentstehungVorgange der Kompression uber viele Großenordnungenund die damit jeweils verbunden extremen Anstiege derTemperatur. Bei der Expansion des Kosmos haben wir

den umgekehrten Vorgang, eine fortlaufende Erniedri-gung der Temperatur. Geht man jedoch gedanklich inder Zeit zuruck, lasst man also den Raum schrumpfen, sosteigen die Temperaturen. Dementsprechend ist das Ent-stehen strukturierter Materie die Folge der Abkuhlungund einer damit verknupften Zeitskala. Dieser Annahmefolgend wurde erwartet, dass bei den hohen Temperatu-ren einer fruhen Zeit die Atomkerne von der Atomhullegetrennt waren. Sie bildeten ein Plasma, ein Gas aus Io-nen, Elektronen und Lichtquanten (Photonen) im ther-modynamischen Gleichgewicht. In diesem durch elektri-sche Krafte wechselwirkendem Medium wirkte der ther-mische Druck jeder lokalen Konzentration von Materieentgegen. Signifikante lokale Konzentrationen konntensich erst entwickeln nach dem Verschwinden des Plasmas.

Dies sollte bei einem Absinken der Temperatur aufetwa 3000 Grad geschehen, der Zahlenwert ergibt sichaus Abschatzungen der Dichte. Dann verbanden sichdie letzten, noch freien Atomkerne mit den Elektronendes Plasmas zu den elektrisch neutralen Atomen desWasserstoffs. Neutrales Helium gab es schon etwas fruher.

Mit dem Verschwinden des Plasmas wurde das Uni-versum erstmals optisch transparent. Die Orte derletztmaligen Streuung von Lichtquanten sehen wirin einem Abstand, fur den das Licht 13,7 MilliardenJahre braucht. Schaut man nicht ganz so weit, dannist alles durchsichtig. Will man jedoch weiter, nochtiefer in die Vergangenheit schauen, dann bildet dasPlasma eine leuchtende Wand, wie das Material ineiner Leuchtstoffrohre, Diese Orte bilden den Horizontunserer optischen Bebachtungsmoglichkeit. Wir sehensie nur in diesem fruhen Stadium. Heute haben sie aufGrund der Expansion des Kosmos eine Entfernung vonetwa 50 Milliarden Lichtjahren. Gabe es die DunkleEnergie nicht, ware dieser Abstand etwas geringer, etwa40 Milliarden Lichtjahre. Das bedeutet, dass wir nurdiejenigen Bereiche des Raums sehen, die heute wenigerals 50 Milliarden Lichtjahre entfernt sind, jedoch zujeweils dem Zeitpunkt, welcher der Laufzeit des Lichtsentspricht.

Zeitlich fruher freigesetzte Lichtquanten wurden durchdie vorhandenen Reste des Plasmas absorbiert, sodasswir nur die Endphase sehen. Die nachfolgende Expansionfuhrte zu eine kraftige Rotverschiebung des Spektrums.Dies war bereits um 1940 die Einsicht derjenigen Physi-ker, die daruber nachgedacht hatten. Allerdings scheutensie sich dies auch entsprechend zu publizeren. So kam es,dass 1964 Penzias und Wilson (Nobelpreis 1978) dieseKosmische Hintergrundstrahlung, ohne Wissen von derVorhersage, eher zufallig entdeckten beim Test einerAntenne fur Mikrowellenstrahlung.

Inzwischen ist die Kosmische Hintergrundstrahlung vonmehreren speziell konzipierten Satelliten mit extremerPrazision vermessen worden. Es zeigt sich, dass wir unsals Teil der Milchstraße mit einer Geschwindigkeit von

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2 Promille der Lichtgeschwindigkeit bewegen relativ zueinem Raum, der durch die allseitig auf uns einfallendeKosmische Hintergrundstrahlung definiert ist. Das passtauch zu aktuellen Messungen der Anziehung der Gala-xis durch Bereiche dicht liegender Galaxienhaufen wieetwa dem Großen Attraktor. Man hat auch gelernt, aufStoreffekte von dazwischenliegenden Lichtquellen zu kor-rigieren. Dann bleibt ein Spektrum, das mit hoher Ge-nauigkeit dem einer berechneten thermischen Strahlungbei 2.72 Kelvin entspricht. Ordnet man diesem Spektrumals Quelle das 3000 Grad heiße Plasma zu, so ergibt sicheine Rotverschiebung um etwas mehr als einen Faktor1000. Mit dem heutigen Wissen zur kosmischen Expan-sion entspricht das einem Zeitpunkt von etwa 380.000Jahren nach dem Urknall.

A. Das Gesetz von Planck

Die Kosmische Hintergrundstrahlung ist, wie das Lichtder Sonne, thermischen Ursprungs. Von der Oberflacheder Sonne emittiert ein Plasma der Temperatur von5800 Kelvin Licht, welches in der spektralen Zerle-gung die Farben des Regenbogens zeigt. Sowohl dieabsolute Strahlungsstarke als auch die Verteilung derIntensitat auf die verschiedenen Wellenlangen, die sogenannte spektrale Intensitatsverteilung, werden durchdas von Max Planck 1900 formulierte Strahlungsgesetzverstanden. In dies grundlegende Gesetz gehen nebender Temperatur nur die Lichtgeschwindigkeit und dasPlancksche Wirkungsquantum ein, beides fundamentaleNaturkonstanten. Das Gesetz ist abgeleitet aus denVorstellungen eines thermodynamischen Gleichgewichtsvon Strahlung mit Materie und aus einer Quantisierungdes elektromagnetischen Strahlungsfelds.

Einstein erkannte, dass im Planckschen Strahlungsgesetzein Produkt dargestellt ist aus einer Anzahldichte vonPhotonen (Lichtquanten) und der mittleren Energieder einzelnen Photonen. Dabei ist die mittlere Energieeines Photons proportional der Temperatur. Verknupftman dies mit dem Gedanken der Kosmischen Expansionund der damit verbundenen Rotverschiebung, so folgt,dass in einem expandierenden Bereich die Anzahl derPhotonen konstant bleibt, deren Energie jedoch entspre-chend der Rotverschiebung abnimmt. Das entsprichtden Regeln der Thermodynamik fur die Verknupfungvon Energiedichte und Druck mit der Expansion. DieWechselwirkung der vielen Photonen mit Materie erfolgtdurch Streuung an Elektronen, dabei bleibt die Anzahlder Photonen erhalten. Man kann sich also auf mehrals eine Weise klar machen, dass im expandierendenStrahlungsfeld Temperatur und kosmische Expansionumgekehrt proportional sind .

Vergleicht man heute die Anzahldichte der Photonen inder Kosmischen Hintergrundstrahlung mit der Anzahl-dichte von Nukleonen, d.h. aller Protonen und Neutro-

nen, einschließlich der in Atomkernen gebundenen, undmittelt man uber große Skalen, so erhalt man einen Fak-tor von einigen Milliarden! Geht man nun in der Zeit im-mer weiter zuruck, so steigt die Energie der Photonen insgrenzenlose. Dies besagt, dass in fruher Zeit das Strah-lungsfeld den Energieinhalt dominierte. Solange der Kos-mos noch keine 5.000 Jahre alt war ubertraf die Strah-lungsenergie die Ruhenergie der materiellen Teilchen ins-gesamt. Zur Diskussion physikalischer Prozesse vor die-sem Zeitpunkt ist die Temperatur als die relevante Großeanzusehen. Daraus folgt ein einfaches zeitliches Verhal-ten: Einer Abnahme der Temperatur um einen Faktor 2entsprach eine Zunahme des Alters um einen Faktor 4.Man kann sich noch merken, dass bei einem Alter dasKosmos von einer Sekunde die Lichtquanten eine mittle-re Energie von 1 MeV hatten, und dass ein Volumen voneinem Kubikzentimeter auf Grund des Strahlungsfelds ei-ne Masse von etwa 500 kg hatte, wozu die Protonen undNeutronen mit nur 0,2 Gramm beitrugen.

B. Quantitative Aussagen uber den Kosmos

Die Kosmische Hintergrundstrahlung zeigt wie derKosmos aussah im Alter von 380.000 Jahren. DieMessungen von Satelliten erfassen alle Richtungen desRaums. Sie ergeben das sehr wichtige Resultat, dassin allen Himmelsrichtungen die Temperatur gleich ist.Mit großer Genauigkeit sind auch Abweichungen vonder Gleichverteilung gemessen wurden. Sie liegen imBereich unterhalb von hundertstel Prozenten. Diesebeiden Aussagen sind die experimentelle Basis einerseitsfur unsere Vorstellung von einer homogenen Verteilungder Materie im Kosmos zum damaligen Zeitpunkt, undsind andererseits Ausgangspunkt aller Uberlegungenzur Strukturbildung. Die beobachtete geringe Variationder Temperatur hat ihren Grund in lokalen Variationensowohl der Dichte des Plasmas als auch des Gravitati-onspotentials, das im wesentlichen von der Verteilungder Dunklen Materie bestimmt ist.

Das beobachtete Muster der Abweichungen wirkt wiezufallig. Um es physikalisch zu diskutieren beschreibtman das Auftreten von heisseren und kalteren Bereichenin einer statistischen Analyse. Als Funktion der Win-kelabstande, unter denen man heute diese Bereiche aufder Himmelskugel sieht, wird ein “Leistungsspektrum“erzeugt: Dazu wird fur jeweils zwei Orte in vorgebe-nenem Winkelabstand die Differenz der Temperaturenfestgestellt. Aus den quadrierten Werten folgt einemittlere quadratische Temperaturdifferenz, indem uberalle Orte gemittelt wird. Durch geeignete Gewichtungendieser Funktion des Winkelabstands (vergleichbar einerFourieranalyse) folgt das “Leistungsspektrum“. DieGewichtung betont Winkelbereiche, die in ihrer Ausdeh-nung proportinal sind zu dem Winkel, der die jeweiligeGewichtung kennzeichnet.

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Das Leistungsspektrum zeigt eine Verteilung, die beigroßen Winkeln flach ist, bei einem Winkel von einemBogengrad ein erstes, stark ausgepragtes Maximumerreicht, dem dann bei kleineren Winkeln weitere, klarstrukturierte Minima und Maxima folgen, in abnehmen-der Starke.. Diese Ergebnisse großer wissenschaftlicherTeams unter Leitung von George Smoot und JohnMather (Nobelpreis 2006) ermoglichen weitreichendeAussagen uber Struktur und Entwicklung des Kosmos.

Die Verteilung folgt aus dem Geschehen der ersten380.000 Jahre. Sie hat ihren Ausgangspunkt in denInhomogenitaten der Dichte, die in der Physik des Ur-knalls begrundet sind. Das Geschehen war bestimmt vondem Zunehmen des Horizonts, denn nur innerhalb desHorizonts ist die Gravitation wirksam. Dementsprechendtrugen mit der Zeit immer großere Bereiche bei. Aufdie lokal unterschiedlichen Energiedichten reagierten dieDunkle Materie, das Plasma und die Neutrinos ganzverschieden:

Am einfachsten war das Verhalten der Neutrinos,sie entfernten sich, ohne weitere Wechselwirkung, mitLichtgeschwindigkeit und glichen so die Unterschiede aus.

Das elektromagnetische Strahlungsfeld wechselwirktemit dem Plasma aus Elektronen, Wasserstoff- undHeliumkernen und bildete mit diesem ein elastisches Me-dium. Die Energiedichte des Strahlungsfelds bestimmteden Druck, und dieser wirkte allen ungleichmaßi-gen Verteilungen entgegen. Interessant wurde es, alsdie Temperatur auf Grund der Expansion so weitabgenommen hatte, dass die Energiedichte des Plas-mas - Masse und Energie seien aquivalente Großen -kleiner wurde als die Energiedichte der Dunklen Materie.

Ab diesem Zeitpunkt, nach etwa 5000 Jahren, konnte dieDunkle Materie in Bereichen erhohter Dichte diese weitersteigern. Voraussetzung dafur war, dass diese Bereicheinnerhalb des jeweiligen Horizonts lagen. Am Ende derPlasmaphase, nach 380.000 Jahren, war die relativeStarke dieser Inhomogenitaten der Dunklen Materie umeinen Faktor 30 angewachsen (sie erfolgte proportionalzur Expansion der Abstande im Raum). Dies bedeutetauch, dass das anfangliche Gravitationspotential imexpandierenden Raum in seiner Starke erhalten blieb.Elektromagnetische Strahlung aus Bereichen starkergravitativer Anziehung war zu großeren Wellenlangenhin verschoben, sie erscheinen entsprechend kalter. DerBeitrag des Gravitationspotentials zur beobachtetenTemperatur der Strahlung wird als Sachs-Wolfe Effektbezeichnet.

Die tatsachliche Temperatur des Plasmas war bestimmtdurch seine Dichte. Innerhalb des Horizonts wurdediese durch Transportprozesse beeinflusst. Das Plasmastromte zu den Gravitationszentren, auf den sich dorterhohenden Druck reagierte es als elastisches Medium.

Somit wurden diese zu Quellen von akustischem Schall.Diesen Vorgang bezeichnet man als baryon acousticoscillation. Die Schallgeschwindigkeit folgt aus Dichteund Elastizitat. Da das Strahlungsfeld dominierte, istder Wert bekannt. Ohne Korrekturen fur die ionisierteMaterie war diese gleich der Lichtgeschwindigkeit,dividiert durch die Quadratwurzel von 3. Die Strecke,die der Schall in den 380.000 Jahren zurucklegen konnte,stellte fur das Plasma einen Horizont dar. Er warbestimmt durch die Schallgeschwindigkeit, die Laufzeitund die Expansion des Raums. Nach dem Ende diesesVorgangs hatte man erhohte Dichte und Temperaturin den Gravitationszentren, dies sind auch die Bereicheerhohter Dichte Dunkler Materie, und in den zugehori-gen konzentrischen Zonen auf Grund der Ausbreitungdes Schallfelds. Im Leistungsspektrum erscheint dieserHorizont im Winkelbereich des ersten akustischen Peaks,bei etwa einem Bogengrad.

Der erste akustische Peak ergibt sich aus der Verstarkungdurch Quellen, deren Schallfelder konstruktiv interferie-ren, und deren Abstande dem Horizont des Schalls ent-sprechen. Bei kleineren Abstanden der Quellen kommtgegenseitige Ausloschung dazu. Weitere Maxima, akusti-sche Peaks hoherer Ordnung bei kleineren Winkeln tretenauf, wenn der durch den Horizont bestimmte Abstand zueinem Vielfachen der aktuellen Abstande wird.

Mit einfachen Modellannahmen lasst sich das Lei-stungsspektrum berechnen. Ubereinstimmung mit denDaten folgt fur eine anfangliche statistische Vertei-lung der Energiedichte, in welcher der Zusammenhangvon Starken und Abstanden skaleninvariant ist, undmit Werten fr die Anteile von Dunkler Materie undnormaler Materie relativ zum Strahlungsfeld, wie wirsie bereits diskutiert hatten. Dazu kommt die DunkleEnergie parametrisiert als Kosmologische Konstante.Skaleninvarianz ist eine spezielle Form von fraktalenbzw. selbstahnlichen Mustern. Es bedeutet, dass dieVerteilung, statistisch gesehen, in jedem Maßstab alsgleich erscheint. Das gemessene Leistungsspektrum zeigteine ausgepragte Struktur, und bestimmt die genanntenGroßen verbluffend prazise.

Betonen sollte man, dass die beobachtete Verteilungder kosmischen Strahlung unter Winkelabstandengroßer als ein Bogengrad von Ausgleichsvorgangennicht beeinflusst ist. Die Temperatur dort ist dominiertdurch den Sachs-Wolfe Effekt. Die entsprechendenInhomogenitaten der Materie existierten “schon immer“!Auch ist ihr Leistungsspektrum nahezu unabhangig vomBeobachtungswinkel, entsprechend der angenommenenSkaleninvarianz.

Berechnungen in Rahmen der hier nur angedeutetenVorstellungen reproduzieren die Daten im Detail. Auchversteht man die abnehmende Starke des Leistungsspek-trums zu kleinen Winkeln hin Silk Effekt. Ursache istunter anderem die langsame Auflosung des Plasmas,

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sodass der Zeitpunkt der letzten Streuung eines Licht-quants erheblich variiert. Dem ersten akustischen Peakentsprach zum damaligen Zeitpunkt ein Abstand, denman physikalisch versteht. Damit misst man in einemDreieck von kosmischer Dimension die Winkelsumme.Die Analyse zeigt, dass der Raum flach ist im Sinneder Euklidischen Geometrie. Aus Starke und Form desersten Maximums und der nachfolgenden Extrema beikleineren Winkeln kennen wir quantitativ den Anteilder normalen als auch der Dunklen Materie, relativzur Anzahl der Photonen des Strahlungsfelds. Ausder flachen Geometrie folgt der Anteil der DunklenEnergie. Diese Beobachtungen primarer Kenngroßen deskosmischen Systems gelten als gesichert.

Fasst man diese Daten zusammen mit den Messungenzur Hubble-Konstanten, so ergibt sich fur den Kosmosein Alter von ungefahr 13,7 Milliarden Jahren. Mankann hier noch anmerken, dass eine besonders genaueMessung der Hubble-Konstanten gelang uber denGravitationslinsen-Effekt: Eine weit entfernte Quelle,deren Helligkeit mit der Zeit variierte, konnte in vierBildflecken identifiziert werden. Diese wurden von zweinahe beieinander liegenden Galaxienhaufen erzeugt.Die verschiedenen Bildflecken zeigten Unterschieden inder Laufzeit von etwa einem Monat. So konnte Geome-trie und Entfernung rekonstruiert werden, und aus derRotverschiebung der Quelle folgte die Hubble-Konstante.

C. Strukturbildung im expandierenden Kosmos

Wie hangen nun die Eigenschaften der beobachtetenHintergrundstrahlung mit der beobachteten Verteilungder Galaxien zusammen? Mittelt man uber sehr großeRaume, so erscheint auch die Verteilung der Galaxien inden verschiedenen Richtungen am Himmel als homogen,das passt zur Homogenitat der Hintergrundstrahlung. Inkleineren Skalen jedoch sind Galaxien, wie wir diskutierthaben, extrem inhomogen im Raum verteilt. Es gibtlokale Haufungen, ein Netz von Filamenten und riesigeLeerraume.

Die Gravitationsfelder sind durch das Verhalten derDunklen Materie dominiert, es gibt funf mal mehr DunkleMaterie als normale. Auch begann die Konzentrationder Dunklen Materie fruher, da die Einschrankungen aufGrund des Drucks des Strahlungsfelds entfielen. ZumZeitpunkt der Auflosung des Plasmas wich die Dichteder Dunklen Materie, die sich in den jeweiligen Zentengesammelt hatte, bereits um bis zu einem Promillevom Mittelwert ab. Fur die Verteilungen des Plasmaswar dieser Wert um einen Faktor Hundert kleiner.Nach der Auflosung des Plasmas folgte die Materie denlokalen Gravitationsfeldern, so wie diese sich auf Grundder immer starker konzentrierenden Dunklen Materieeinstellten. Auf Grund der gegenseitigen Abhangigkeit

war diese Strukturbildung ein sich selbst verstarkendesGeschehen, das zunehmend großere Bereiche erfasste,und auch heute noch nicht beendet ist. Das Musterder anfanglichen Inhomogenitaten der Dunklen Materieist skaleninvariant. Das bedeutet, dass diese Kon-zentrationprozesse in Skalen ganz unterschiedlicherGroße erfolgten. Dabei war wesentlich, dass dies ineinem expandierenden Kosmos geschah, in dem fureine lange Zeit die Geschwindigkeit der Expansionabnahm, bis schliesslich die Dunkle Energie dominierte.In der Konkurrenz von Auseinanderlaufen, auf Grundder Expansion des Raums, und von Zusammenziehen,auf Grund der lokalen Felder, gab es fur jeden dieserBereiche einen Zeitpunkt, ab dem das Zusammenziehendie Expansion uberwog, er koppelte von der kosmischenExpansion ab. Innerhalb dieser Bereiche konzentriertesich die Materie durch wechselseitige Anziehung lokalweiter. Die außerhalb dieser Bereiche verbliebene Mate-rie hatte sich auf immer weiter expandierende Voluminazu verteilen und dunnte entsprechend aus.

Fur die Dunkle Materie ist der Spielraum zu hoher Kon-zentration eingeschrankt, es veblieb bei der Wandlungvon potentieller Energie in kinetische und umgekehrt.Bei normaler Materie hingeben folgte der Wandlung inkinetischen Energie die in thermische. Wurde diese durchStrahlung abgegeben, schritt der Konzentrationsprozessweiter fort bis sich die hochkompakten spharischenVerteilungen bildeten, aus denen die Sterne entstanden.Bei der Dunklen Materie hingegen blieb es bis heutebeim ewigen Wechselspiel von potentieller und kineti-scher Energie, wie bei einem Pendel ohne Dampfung.Dementsprechend ergeben sich fur die Dunkle Materienicht die extrem hohen Konzentrationen der normalenMaterie. Die Dunkle Materie konzentrierte sich inFaden, die ein Netzwerk bilden, und die in Knoten-punkten besonders hohe Dichten erreicht. Entsprechendder anfanglichen Skaleninvarianz haben wir eine Uber-lagerung dieser Strukturen in ganz unterschiedlichenGroßen. Die massereichsten dieser Knoten Dunkler Ma-terie waren die naturlichen Ausgangspunkte der Bildungvon Galaxienhaufen, und die massearmsten die vonKugelsternhaufen. Aufgrund des bleibend dynamischenVerhaltens der Dunklen Materie haben wir einen Prozessder fortlaufenden Bewegung. Stoßen solche Bereichezusammen, so ist dies zunachst ein gegenseitiges Durch-laufen, so als ware nichts geschehen, jedoch bewirkendie Gravitationsfelder eine Bahnablenkung. Sind diesesehr inhomogen, unterscheiden sich die Ablenkungen,und es bilden sich entsprechend neue Strukturen. DieVerschmelzung von anfangs sehr vielen, eher massearmenBereichen zu wesentlich wenigeren, doch massereicherenwird als hierarchischer Prozess bezeichnet. In diesembehalten die anfanglich massearmen Bereiche noch langeihre Identitat, dies gilt insbesondere fur die Verteilungder Geschwindigkeiten. Dies wird in Modellrechnungen,etwa der sogenannten Millenniums-Simulation derGarchinger Astrophysiker, im Detail nachvollzogen.

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Dazu kommt ein kontinuierlicher Zufluss aus Bereichenniedriger Dichte. In dem Bereich, der von der Erdepassiert wird, geben Abschtzungen eine Massendichteder Dunklen Materie, die einem Wasserstoffatom aufdrei Kubikzentimeter entspricht. In diesen lokalenKonzentrationen der Dunklen Materie strukturierte sichdie normale Materie.

Die beobachtete Verteilung von Galaxienhaufenbestatigt diese Vorstellungen. Galaxienhaufen sind dieOrte starkster Konzentration Dunkler Materie, hierlaufen viele Filamente zusammen. In unserem Umfeld,in einem Bereich mit einer Rotverschiebung von wenigerals 20 Prozent, kennt man fast alle Galaxienhaufen, essind knapp 2000. Deren Orte werden mit statistischenMethoden analysiert, sodass man fur deren raumlicheVerteilung ein “Leistungsspektrum“ erhalt, ahnlich wiefur die Kosmische Hintergrundstrahlung. Der Vergleichmit Simulations-Rechnungen, bei denen fur die Zusam-mensetzung des Energieinhalts des Kosmos verschiedeneAnnahmen gemacht werden, unterstutzen die Parameterdes Standardmodells.

In den Verteilungen der Galaxien wird auch die Schal-lausbreitung im anfanglichen Plasmas sichtbar, die mitder Auflosung des Plasmas endete. Dementsprechendsind die ursprunglichen Zentren der Schallausbreitungumgeben von einer Hulle geringfugig erhohter Dichte.Dies ist eine Kugelschale, deren Radius der Laufstreckedes Schalls entspricht. Da Bereiche erhohter Dichte Aus-gangspunkt verstarkter Galaxienbildung waren, erhaltman fur die Anzahldichte von Galaxien als Funktion desAbstands eine Korrelation. Analog zum akustische Peakin der Kosmologischen Hintergrundstrahlung spricht manvon einen baryon-akustischem Peak in der Anzahldichteder Galaxienverteilung. Der Radius dieser nur schwachausgepragten Korrelation liegt heute bei knapp 500 Mil-lionen Lichtjahren, eine Folge der kosmische Expansi-on. Dies sind Maßstabe bekannter Lange im Raum. Ge-lingt es diese auch in großem Abstand zu beobachten,so konnen wir an ihnen unsere Vorstellungen uber dieExpansion des Raums in der Zeit direkt uberprufen.

D. Die ersten Sterne, Entstehung der Galaxien

Die ersten Sterne, man spricht von denen der PopulationIII, entstanden nach etwa 200 Millionen Jahren inBereichen besonders hoher Konzentration von DunklerMaterie. In diesen trafen Bereiche von Gas auf Grundder Beschleunigung durch das Schwerefeld mit sehrhohen Geschwindigkeiten aufeinander, sodass bei ihrerwechselseitigen Abbremsung Temperaturen entstanden,bei denen Warmeenergie abgestrahlt werden konnte.Da es sich damals ausschliesslich um Wasserstoff undHelium handelte, lag die Strahlung im Bereich deskurzwelligen Ultravioletts, entsprechend hoch musstedie Temperatur gewesen sein. War daruber hinaus das

Schwerefeld genugend stark, setzte Sternbildung ein. Dieersten Sterne begannen mit einer Masse von zumindestmehreren 100 Sonnen. Entsprechend schnell branntensie ab, und endeten nach wenigen Millionen Jahren alsSchwarze Locher oder als gigantische Supernovae.

In Sternen von mehr als 250 Sonnenmassen war dieTemperatur so hoch, dass die durch Fusion gebilde-ten schwereren Elemente wieder desintegrierten. Dasbedeutet, dass im Innern dieser Sterne keine Energiemehr freigesetzt wurde, die abgestrahlte Energie fuhrtezur Kontraktion, die kein Ende hatte. Es gab keinerleiExplosion, die Systeme endeten als entsprechend masse-reiche Schwarze Locher.

Fur Massen kleiner als 250 Sonnenmassen waren dieTemperaturen geringer, sodass Fusion bis hin zu Nickelerfolgen konnte. Jedoch wurde in Systemen mit Massenknapp unter 250 Sonnen im Zentrums die Temperatur,, so hoch, dass die Gammastrahlen des thermischenFelds Elektron-Positron Paare erzeugten. Es stelltesich ein Gleichgewicht zwischen Gammastrahlung undElektron-Positron Paaren ein. Diese Erzeugung vonRuhemasse reduzierte den thermischen Druck, und lostedamit den Kollaps aus. Dies geschah nach der Bildungvon Kohlenstoff und Sauerstoff, in der Phase des Kollapsdurchlief das System wie bei einer Supernova vom TypIa den thermonuklearen Fusionsprozess bis hin zu Nickelund Eisen. Auf Grund der freigesetzten Energie undder Schnelligkeit des Prozesses endete dies in einerExplosion, bei der kein Restkern verblieb. Mit großerGeschwindigkeit wurden einige zehn Sonnenmassen anNickel und Eisen ausgestosen. Man spricht hier von Su-pernovae auf Grund der Paar-Instabilitat. Voraussetzungfur diese Art von Supernova ist, dass das anfanglicheMaterial frei ist von schweren Elementen. Man glaubt,dass auch heute noch die Kompression großer Bereichevon primordialem Gas in nahen Zwerggalaxien reali-siert sein kann, und erklart so die Beobachtung einerSupernova im Jahr 2007 (SN 2007bi) mit vergleichbarenEigenschaften.

In den abgesprengten Hullen der Supernovae gab es,erstmals im Universum, die schwereren Elemente. DiesesMaterial bewegte sich entgegen der Richtung des Schwe-refelds, das durch die Dunkle Materie vorgegeben war,und der damit verbundenen Richtung des einstromendenGases. So ergaben sich turbulente Stromungsmusterund verdichtete Bereiche ausserhalb des Zentrums desSchwerefelds. Diese wurden zu weiteren Zentren vonSternentstehung.

Man hebt gerne hervor, dass mit diesen ersten Sternen-system eine dunkle Zeit von etwa 200 Millionen Jahrenzu Ende gegangen war. Es “wurde Licht“ im Kosmos.Und verbunden damit war Ionisation des umgebendenGases.

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Die ersten Sterne entstanden in Bereichen besondersstarker Konzentration Dunkler Materie. Zu diesen bliebder weitere Zufluss an Materie besonders groß. Mitdem verstreuten Material der Hullen begann, etwa 500Millionen Jahre nach dem Urknall, die Entstehungvon Sternen der zweiten Generation, der sogenanntenPopulation II. Die dem Gas beigemischten schwererenElemente ermoglichten nun die Abstrahlung von Warmebereits bei niederen Temperaturen, und damit die Bil-dung kleinerer Sterne. Damit begann ein Feuerwerk anSternentstehung und Supernovaexplosionen. Diese Phasewar vor etwa 10 Milliarden Jahren abgeschlossen. Sieendete, als das fur die weitere Sternbildung verbliebeneGas zu heiss geworden war. Diese heute sehr altenSterne entstanden in Bereichen ganz unterschiedlicherGroße. Die sehr alten Sterne zeigen in ihrer Hlle nurrelativ wenige schwere Elemente, vorwiegend sogenannteAlpha-Kerne, die in einer Sterngeneration fruher nachder Fusion von Helium, Kohlenstoff und Sauerstoff mitden außeren Schalen weggeblasen wurden.. Die Galaxien damals waren kompakte Systeme, miteiner rasch abfallenden Dichteverteilung. Interessantist, dass es vor etwa 10 Milliarden Jahren viele gala-xienartige Bereiche aus Wasserstoff mit der Masse vontypisch einer Milliarde Sonnen gab, in denen noch keineSternbildung stattgefunden hatte. Man findet sie aufgrund ihrer Beleuchtung durch Quasare. Die heutigen,aus den Quasaren hervorgegangenen elliptischen Gala-xien sind wesentlich ausgedehnter und massereicher, siebildeten sich ab dieser Zeit durch Zufluss von Materievon Außen. Dies war Zufluss von Gas, Kugelsternhaufenund Galaxien. Dabei wurde das Gas in den Galaxien soheiss, dass die Sternbildung endete. In dem turbulentenSzenario akkretierte das zentrale Schwarze Loch Materiein großem Umfang. Die akkretierten alten Sterne bildenden massereichen, ausgedehnten außeren Bereich derriesigen elliptischen Galaxien. In den Spiralgalaxienentspricht deren ausgebauchter zentrale Bereich (Bulge)einer elliptischen Galaxie geringerer Masse. Fur allediese elliptischen Systeme steht ihre Masse einem festenVerhaltnis, von etwa tausend zu eins, zur Masse deszentralen Schwarzen Lochs.

Nur in der Scheibe von Spiralgalaxien gibt es Stern-bildung aufgrund von zugestromtem kalten Gases. Diejungen Sterne koexistieren mit den alten Sternen ausden akkretierten Kugelsternhaufen, die ihre Identitatweitgehend verloren haben. Diese alten Sternen sehenwir auch im Halo sowie in der dicken Scheibe, sowiein den heute noch vorhandenen, raumlich getrenntenKugelsternhaufen. Etwa 60 Prozent aller Sterne findetman in diesen alten, spharischen Systemen.

Die riesigen elliptischen Galaxien finden wir in denZentren von Galaxienhaufen. Man geht davon aus, dassin der sehr intensiven Phase der Sternbildung in denersten Milliarden Jahren so viel Energie frei gesetztwurde, dass aus allen diesen Systemen das restliche Gas

weitgehend fortgeblasen wurde. Das heute beobachteteGas ist spater eingestromt. Dabei wurde die Gravitati-onsenergie in thermische gewandelt. Wegen der geringeDichte ist diese bis heute nur teilweise abgestrahltworden, sodass wir heute das intergalaktische Gas imRontgenbereich sehen. Fur jede weitere Sternbildungwar das Gas zu heiss. In allen elliptischen Galaxienfindet sich im Zentrum ein supermassereiche SchwarzesLoch. Die Schnelligkeit ihrer Bildung ist Gegenstandder Forschung. So wird in einer 13 Milliarden Lichtjahreentfernten Galaxie von einem Schwarzen Loch von von2 Milliarden Sonnenmassen berichtet. Eine so kurzeZeitskala weist darauf hin, dass es einen Auftakt gegebenhaben muss mit einem direktem Kollaps von Gas zueinem �mittelschweren� Schwarzen Loch von einigenhunderttausend Sonnenmassen.

Deutlich anders ist die Situation bei Spiralgalaxien.Diese bildeten sich in Bereichen deutlich geringererKonzentration Dunkler Materie. Mit der Erzeugung derPopulation II Sterne im zentralen Bereich sind Super-novae, Jets, und starke Erhitzungen verbunden, sodassviel Gas abgestoßen wurde. Dies betrifft den Bulge derGalaxie. Die Scheibe entstand aus anschließend zuge-stromtem Material aller Art, dies reicht von Gas bis zuKugelsternhaufen. Abschatzungen sprechen von einemkomplexen Muster gleichzeitigen Zu- und Abfließens.Die Galaxie und der intergalaktische Raum stehenin einem dynamischen Bezug zueinander. Die jngerenSterne unsere Galaxie entstanden aus zugestromtemintergalaktischem Gas. Dies Gas mit eine betrachtlicheKonzentration an schwereren Elementen verdichtet sich,kuhlte durch Strahlung ab und ging in Teilbereichenin den molekularen Zustand uber. Aus diesem bildetensich die Sterne der Population I, zu denen auch unsereSonne gehort. In der Scheibe heute hat das interstel-lare Gas eine Masse, die im Vergleich zur Masse derbereits gebildeten Sterne nur etwa ein Funftel betragt.Sehr interessant sind Messungen, denen zufolge dieMasse der Dunklen Materie, die der Galaxis zugeordnetwird, wohl zumindest doppelt so groß sein soll als aufGrund der Masse der Sterne und des interstellarenGases zu erwarten ware. Dies wurde zeigen, dass durchden spateren Massezufluss, aus welchem die Scheibehervorging, der Masseverlust an erhitztem Gas in derPopulation II Phase noch nicht ausgeglichen worden ist.Fasst man das alles zusammen, so versteht man auch,dass die derzeitige Rate der Sternentstehung um eineGroßenordnung geringer ist als vor etwa 10 MilliardenJahren.

Mit dem Hubble Satelliten-Teleskop gelangen sogenannteDeep Field Aufnahmen in drei ausgewahlten Bereichen.In diesen schaut man in Tiefen von bis zu 12 bzw. 13Milliarden Lichtjahre zuruck. Sie zeigen das Entstehender Population II-Sterne in Galaxien, ein Anwachsender Sternentstehung in den ersten 3 Milliarden Jahren,eine maximale Sternentstehung vor 8 bis 10 Milliarden

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Jahren und einen etwa 10 mal geringeren Zuwachs anSternen heute. Die Bildung der ersten Galaxien kann mitden gegenwartigen Teleskopen noch nicht beobachtetwerden. Die Wellenlange der von ihnen emittiertenStrahlung ist auf Grund der nachfolgenden Expansiondes Kosmos sehr stark gedehnt und erfordert spezielleDetektoren. Entsprechend hoch ist die Erwartung anneue Teleskope auf Satelliten. Der aktuelle Rekordliegt in der Beobachtung einer Galaxie, bei der dieWellenlange des Licht um das 8,5 fache vergroßert ist. Eswurde 600 Millionen Jahre nach dem Urknall emmittiert.

Die Angaben der Entfernungen von Galaxien und damitauch von Alter beruht auf gemessenen Rotverschiebun-gen und auf der Modellierung des Ablaufs der kosmolo-gischen Expansion.

X. DIE ERSTE HALBE STUNDE

Eine dritte Beobachtung, die das Modell der kosmischenExpansion stutzt, ist die Verteilung der Haufigkeit derElemente. In Bereichen, die durch Sternentstehung nochnicht beeinflusst sind, beobachtet man nur Wasserstoffund Helium, sowie Spuren von Lithium, pauschal gesagt,75 Prozent Wasserstoff und 25 Prozent Helium, in Ge-wichtsanteilen. Diese Verteilung existiert so seit der er-sten halben Stunde des Universums und wird deshalbauch gerne primordial genannt.Man versteht sie quantitativ im Rahmen der kosmischenExpansion. Um deren Verlauf darzustellen, beginnenwir mit Temperaturen, die weit oberhalb der Energienlagen die uns an Teilchenbeschleunigern zuganglich sind.Expansion bedeutete Abnahme der Energiedichte undals Folge davon Abkuhlung. Die Temperatur gibt an diemittlere Energie pro Freiheitsgrad. Ihr Verlauf resultiertaus dem jeweils sich einstellendem thermodynamischenGleichgewicht. Damit ist gemeint, dass ein Systembei vorgegebener Energiedichte maximaler Entropiehat: Alle Zustande, die das System bei vorgegebenerEnergie einnehmen konnte, sollten gleich wahrschein-lich realisiert sein. Dabei ist der Begriff des Zustandsdurch die Quantenmechanik definiert. So kann man,im Prinzip, die Zahl der Zustande als Funktion derEnergiedichte abzahlen, das Verhaltnis dieser beidenGroßen bestimmt die Temperatur. Diese Definition derTemperatur verlangt eine ausreichend große Zahl vonWechselwirkungen. Falls eine vorhandene Teilchenart andiesen Wechselwirkungen nicht mehr teilnahm, sodassihre Zustande sich nicht mehr anderten, so bildete dieseein thermodynamisch unabhangiges System.

Wahrend der Expansionanderten sich sowohl die Tem-peratur als auch die Zusammensetzung der Materie.Bei sehr hohen Temperaturen lagen die elementarenTeilchen, die drei Familien der Quarks und Leptonen(Elektronen, Neutrinos), und ihre Antiteilchen, frei vorin dem Strahlungsfeld, welches die Wechselwirkungen

vermittelt. Dies bestand aus den Feldquanten derStarken, Schwachen und Elektromagnetischen Wech-selwirkungen, das sind die Gluonen, die W und ZBosonen, und die Photonen. Man spricht von einemQuark-Gluon-Plasma. Mit der Temperatur nahm dieDichte der Feldquanten, ebenso wie die Dichte derTeilchen-Antiteilchenpaare, ab. Verbunden damit warenPhasenubergange: Quarks und Leptonen aus Familienmit hoher Masse zerfielen durch Schwache Wechsel-wirkung in solche mit kleiner Masse, freie Quarks undGluonen verbanden sich zu Protonen oder Neutronen,die Z-Bosonen zerfielen in Neutrino-Antineutrino-Paare,die W-Bosonen, entsprechend ihrer elektrischen Ladung,in Elektron-Antineutrino-Paare oder deren Antiteilchen,und die Elektron-Antielektron-Paare in zwei Photonen.Die bei jedem dieser Phasenubergange frei gesetztenEnergien bewirkten eine Zunahme der Temperatur, diesewar ihrer kontinuierlichen Abnahme uberlagert. DiePhasenubergange erfolgten bei Temperaturen, die sichaus den jeweils frei gesetzten Energien bestimmten. Mitsinkender Temperatur wurde die Symmetrie von gleichviel Protonen und Neutronen verschoben zu Gunstender Protonen, da diese um etwa ein Promille leichter sind.

Bei einem kosmischen Alter von 0.2 Sekunden war dieDichte so weit gefallen, dass Reaktionen von Neutrinosunwahrscheinlich wurden. Dies hatte wichtige Konse-quenzen. Die Neutrinos verblieben auf Grund des Fehlensweiterer Wechselwirkungen in ihren Zustanden. Dasbesagt, dass sie sich ab diesem Zeitpunkt verabschiedethatten aus dem thermodynamischen Gleichgewicht.Danach nahm ihre Energie ab allein auf Grund derExpansion des Raums. Das Ausbleiben von Reaktionenmit Neutrinos beendet auch das eben beschriebenethermodynamische Gleichgewicht von Protonen undNeutronen. Den weiteren Verlauf bestimmte nun derradioaktive Zerfall von Neutronen zu Protonen, miteiner Halbwertszeit von etwa 10 Minuten.

Nach einem kosmischen Alter von etwa einer Sekunde wardie Energie des Strahlungsfelds nicht mehr ausreichend,Elektron-Antielektron-Paare zu bilden. Die Elektron-Antielektron-Paare verschwanden, sie zerfielen in zweiPhotonen. Dieser Phasenubergang bewirkte eine signi-fikante Zunahme der Zahl der Photonen. Danach bliebihre Anzahl konstant. Nach diesem Phasenubergang gabes Milliarden mehr Photonen als Protonen und Neutro-nen. Alle Energien, die von diesen in nachfolgenden Reak-tionen freigesetzt wurden, waren jedoch klein verglichenmit der Energie des Strahlungsfelds, sodass sie dessenTemperatur nicht beeinflussten. Sie folgte allein dem Ge-setz der Expansion. Da die Neutrinos vor der Elektron-Antielektron-Annihilation freigesetzt wurden, ist derenTemperatur um einen Faktor 1,4 niedriger.

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A. Die primordiale Elementsynthese

Die freien Protonen und Neutronen wurden gebundendurch die Starke Wechselwirkung, bevorzugt zu Kernendes Heliums. Diese sind mit zwei Protonen und zwei Neu-tronen besonders stabil. Die Reaktion dazu erfolgte je-doch in Schritten. Dabei erwies sich der erste Schritt alsein Flaschenhals, der den zeitlichen Ablauf beherrschte.Da Systeme aus nur zwei Protonen oder nur zwei Neu-tronen nicht stabil sind, bestand der erste Schritt immerin der Verbindung eines Protons mit einem Neutron. Dieso gebildeten Kerne des schweren Wasserstoffs, Deuteri-um, sind jedoch vergleichsweise schwach gebunden. Beihohen Temperaturen wurden sie so schnell dissoziiert,dass weiter Reaktionsschritte hin zum Drei- und Vier-Nukleonensystem keine Rolle spielten. Dies anderte sicherst, als die Temperatur unter den Wert von einer Milliar-de Grad gefallen war, nach etwa 100 Sekunden. Die wei-teren Reaktionen waren dann so schnelle Prozesse, dassdie verbliebenen Neutronen rasch

gebunden waren. Somit wurden die Kerne des He-liums innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne erzeugt.Ihre Anzahl entspricht dem Verhaltnis von freienNeutronen zu Protonen zu diesem Zeitpunkt, denviel zitierten 3 Minuten. Die Teilchendichte des Gasesdamals war bereits niedrig, sie lag unterhalb der einesGases bei Zimmertemperatur und Atmosphrendruck.Die Energiedichte jedoch war riesig, denn diese bliebnoch lange von den Photonen (und Neutrinos) dominiert.

Die Bildung der Heliumkerne beinhaltet das Zusam-menfugen der elektrischen Ladungen von zwei Protonengegen ihre elektrische Abstoßung. Dies wurde durch dierasch sinkende Temperatur erschwert, sodass Reste vonDeuterium und des radioaktiven Tritiums im PromilleBereich und darunter verblieben. Noch viel starkerunterdruckt war die Bildung der nachst schwererenchemischen Elemente. Verstarkt wurde dies durch denUmstand, dass alle Kerne der Massezahl 5 oder 8instabil sind. Somit hatte sich nach etwa 30 Minuten dieprimordiale Elementhaufigkeit eingestellt.

Unter Verwendung von Labordaten wird die primor-diale Elementsynthese rechnerisch nachvollzogen. Mitden Daten zur Materie- und Photonendichte aus der Kos-mischen Hintergrundstrahlung und mit unseren Vorstel-lungen uber das zeitliche Verhalten der Expansion folgtdie Vorhersage von vier Messgroßen: relativ zu Wasser-stoff die Haufigkeiten des schweren Wasserstoff-IsotopsDeuterium, der beiden Helium-Isotope und einer extremniedrigen Beimengung von Lithium-Isotopen. Die hervor-ragende Ubereinstimmung gilt als uberzeugender Beweisfur das Urknallmodell.

XI. UBERLEGUNGEN ZUM ANFANG

Der Ablauf in den ersten Minuten und die Zeit danachgilt seit langem als gesichert. Will man die Zeit davorphysikalisch diskutieren, dann kommen bei den nunviel hoheren Temperaturen die Antiteilchen ins Spiel.Im thermodynamischen Gleichgewicht entstehen auszwei Photonen entsprechend hoher Energie ein ele-mentares Teilchen und sein Antiteilchen, zum Beispielein Elektron und sein Antiteilchen, das Positron, oderein Neutrino und sein Antineutrino. Bei noch hoherenTemperaturen entstehen ein Quark und sein Antiquark.Thermodynamisches Gleichgewicht bedeutet, dass esauch den Umkehrprozess gibt: ein Elektron und einPositron vernichten sich gegenseitig und zwei Photonenin Form harter Gammastrahlung werden freigesetzt.Entsprechendes gilt fur die Quarks. Pauschal gesagt wirdStrahlungsenergie in Materie umgesetzt und umgekehrt.Da es mehrere Milliarden mehr Photonen als Atomegibt, bestand die Materie der Fruhphase hauptsachlichaus Photonen extrem hoher Energien und aus Paarenvon Teilchen und Antiteilchen in vergleichbarer Anzahl.

Die Physik der Elementarteilchen kennen wir aus Be-schleunigerexperimenten. Entsprechend der maximalenEnergie des LEP-Beschleunigers am CERN gelten dieVorgange bis zu Energien von 200 GeV als verstanden.Ubersetzt in Temperaturen und Zeit fuhrt uns dieszuruck in ein Alter des Universums von nur einerzehntel Milliardstel Sekunde. Das thermodynamischeGleichgewicht bedingte, dass die Zahl der Teilchen-Antiteilchen-Paare die Zahl der heute in der Materievorhandenen Quarks und Leptonen um viele Großenord-nungen ubertraf, schatzungsweise um einen Faktor voneiner Milliarde. Dies zeigt die immense Energiedichtedes damals alles beherrschenden Strahlungsfelds. Diesesbestand nun aus Photonen, den freien Feldteilchender Elektromagnetischen Wechselwirkung, und ausGluonen, den Feldteilchen der Starken Wechselwir-kung. Diesen Zustand bezeichnet man als Quark-GluonPlasma. Zu diesem kamen dann noch die Feldteilchender Schwachen Wechselwirkung. Waren diese aufgrundentsprechend hoher Temperaturen freigesetzt, so war dieReichweite der Schwachen Wechselwirkung nicht mehreingeschrankt, vielmehr wurde sie in ihrer Starke mitder Elektromagnetischen vergleichbar. Man spricht vomElektro-Schwachen Phasenubergang.

Der Energieinhalt des Kosmos war umso großer, je weiterwir in der Zeit zuruck denken. Verstandlich wird dieseAussage nur, wenn man sich klar macht, dass dieserEnergieinhalt im Gleichgewicht stand zu der potentiellenEnergie, die sich aus der Gravitation ergab. Diese Bei-trge zur Energie addierten sich naherungsweise zu Null.Dabei zeigt sich die potentielle Energie der Gravitationals Quelle des Energieinhalts des Universums.

Damals war die Energie des Strahlungsfelds, zusammen

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mit den paarweise erzeugten Teilchen/Antiteilchen umsehr vieles großer als die Ruhe-Energie der Gesamtheitaller Elementarteilchen, aus denen die Materie heute be-steht. Diese riesige Zahl der Teilchen-Antiteilchen-Paarelasst die Zahl der Teilchen, die nach der Vernichtungubrig geblieben sind, als minimal erscheinen, als nahezuvernachlassigbar.

Dies ist nun ein weiterer ganz wichtiger Punkt. Dievon den Kosmologen diskutierten Konzepte der Bildungdes Kosmos gehen aus von einer vollig symmetrischenAnfangssituation, entsprechend der des Strahlungsfelds,und fuhren dann die Annahme ein, dass der minimaleUberschuss an Teilchen sich im Rahmen der kosmischenEvolution erst entwickelt hat, auf Grund einer Wech-selwirkung, welche diese Symmetrie bricht. In der Tatbeobachtet man bei bestimmten Mesonen radioaktiveZerfalle, welche diese Teilchen/Antiteilchen-Symmetrieverletzen. Dies zeigt, dass es die uns bekannte Physikerlaubt, einen Vorgang dieser Art anzunehmen. Jedochist die aus diesem Mesonzerfall abgeleitete Starke nichtausreichend um diesen, fur die Kosmologie entscheidendwichtigen Vorgang, auch quantitativ zu beschreiben.Diese Frage ist ein aktuelles Ziel der Forschung vonTeilchenphysikern und Kosmologen. Es besteht eine Artvon Konsens, dass dieses Problem sich losen wird.

Alle weiteren Uberlegungen zum Anfang gehen uber denRahmen der heute gesicherten Physik hinaus. Sie habenzu erklaren, was physikalisch gesichert: Die Homoge-nitat und Isotropie des beobachteten Universums, dieFluktuationen fraktaler Struktur als Ausgangspunkt derStrukturbildung, und die extrem hohen Temperaturenin fruher Zeit. Die Gegebenheit, bzw. das Ereignis, abdem aus dieser Situation heraus alles weitere Geschehenfolgt bezeichnet man heute zuweilen als �hot big bang�.Einen Zeitpunkt dafur kann man nur aus dem Geschehendavor ableiten.

Konsostent mit der Allgemeinen Relativitatstheoriemochte man die Entstehung beschreiben als einen kon-tinuierlichen Prozess, auch wenn die Zeitskala dafur ex-trem eng ist. Alles hat als kausal bedingt zu folgen. Mangeht aus von moglichst einfachen Verhaltnissen am An-fang, sodass alle die spezifischen Eigenschaften der Ma-terie und der Wechselwirkungen erst in der Folge ent-standen sind. Dies ist ein naturliches Konzept, denn beiden hochsten Temperaturen sind Unterschiede aufgrundder Masse der elementaren Teilchen oder der Masse derelementaren Quanten der Wechselwirkung bedeutungs-los. Erst mit der Abnahme der Temperatur wurden diesesignifikant.

A. Das Horizontproblem

Aus jeder Uberlegung zum Beginn des Universums mussfolgen, dass der Kosmos in seinem großskaligen Verhalten

homogen ist. Es geht also um die Frage: woher kommtdie Isotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung?Kausal begrunden kann man diese nur, wenn es eineSituation gegeben hat, in der alle diese Bereiche sichin physikalisch bedingter Wechselwirkung befundenhatten. In der Vorstellung von einem Kosmos, der vomAnfang an verzogert expandierte, ist dies jedoch nichtmoglich. Vom anfanglichen Plasma, das wir uber dieKosmische Hintergrundstrahlung beobachten, wissenwir bereits, dass die akustischen Wellen maximal solcheStrecken zuruckgelegt hatten, die wir heute unter einemAbstand von nur einem Bogengrad sehen. Demnachsollten alle großeren Bereiche unverbunden sein. Dadie Geschwindigkeit der akustischen Wellen von derGroßenordnung der Lichtgeschwindigkeit war, kann mandies als Aussange fur jede Art von Wechselwirkungennehmen.

Um diese Frage einzuordnen, vergleichen wir dreiverschiedene Arten der Expansion. Dabei wird derBegriff des Horizonts entscheidend. Alle Bereiche desRaums entfernen sich von einander, und deren Ge-schwindigkeiten relativ zueinander sind proportinal zuden Entfernungen. Wenn nun, von einem bestimmtenOrt aus gesehen, diese Geschwindigkeiten großer werdenals die des Lichts, so sind von diesem Ort aus Ereignissedort grundsatzlich nicht mehr wahrzunehmen. Man sagt,diese Bereiche liegen hinter dem Horizont. Ereignissehinter dem Horizont konnen auf diesen Ort nichtmehr einwirken, und umgekehrt. Je schneller die Ex-pansion, desto kleiner der Raum innerhalb des Horizonts.

Nimmt man etwa an, dass mit der Expansion des Raumsdie Energiedichte des Universums sich gerade so anderte,dass die Geschwindigkeiten der Expansion zeitlichkonstant bleibt, dann wurde der Horizont immer dengleichen Bereich des expandierenden Raums umfassen.Falls wir uns die Galaxien als schon immer existierendeObjekte als ruhend im Raum denken, dann bliebe dieAnzahl der sichtbaren Galaxien, innerhalb des Horizonts,wahrend der Expansion konstant.

Nimmt man hingegen an, dass mit der Expansion desRaums die Energiedichte stark abnimmt, dann waredie Expansion verzogert, wie wir diskutiert hatten. Beieiner Reise in die Vergangenheit wurden die Flucht-geschwindigkeiten der fiktiven Galaxien immer großer,und der Horizont wurde entsprechend schrumpfen: Allediese Galaxien wurden zunehmend hinter dem Horizontverschwinden.

Ein anderer Grenzfall ware die Situation einer konstantenEnergiedichte, wie sie formal durch eine kosmologischeKonstante beschrieben werden kann. Dies entspricht derbeschleunigten Expansion. Dann wurde bei einer Reiseruckwarts in der Zeit der Horizont einen immer großerenTeil des Raums umfassen. Denkt man rein formalund nimmt man fur die Konstante einen sehr hohen

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Wert, so schrumpft der gesamte Kosmos schließlich aufein Volumen innerhalb des Horizonts, bevor er in dieSingularitat des Anfangs mundet.

Diese Diskussion soll zeigen, dass in einem nur verzogertexpandierenden Weltall die beobachtete Isotropie nichterklart werden kann. Der heute sichtbare Kosmos warein der Vergangenheit in immer kleinere, physikalischnicht verbundene Bereiche vereinzelt. Man bezeichnetdies als das Horizontproblem.

Die Losung des Problems sieht man darin, dass die Ge-schwindigkeiten der Expansion, wie wir sie kennen, erstentstanden sind in einer voraus gegangenen Phase be-schleunigter Expansion. Statt eines instantanen Urknallsdenkt man an einen graduellen Prozess, in welchem derVerzogerung eine Beschleunigung vorausging. Aus diesemGedanken heraus entstand um 1980 das Inflationsmodell.Dieses theoretische Modell erklart jedoch deutlich mehrals nur die Isotropie. Um dies alles in den richtigen Zu-sammenhang zu stellen, sollen zuvor noch einfache Uber-legungen zu einem Anfang im eigentlichen Sinne vorge-stellt werden.

B. Planck-Skala, der Anfang

Fur ein homogenes und isotropes Universums folgt ausder Allgemeinen Relativitatstheorie der Anfang als Sin-gularitat, alle Abstande des Raumes seien Null. Diesemathematisch formale Aussage widerstrebt dem physi-kalischen Denken. Wie kleine Dimensionen sind physika-lisch noch sinnvoll? Der Physik in diesem Bereich wid-men sich Theoretiker, die etwa an String-Theorien arbei-ten. Auch wenn wir noch keine Theorie haben, die Gravi-tation und Quantenmechanik vereinigt, macht man ger-ne einfache Abschatzungen: Die Quantenmechanik undHeisenbergs Unscharferelation besagen, dass bei extre-mer Beschrankung des Raums der Impuls und damit dieEnergie in diesem Raum sehr groß werden. Und von Ein-steins Allgemeiner Relativitatstheorie haben wir bereitsdie Schwarzschild-Beziehung benutzt, die jeder Masse,und damit jeder Energie, einen Schwarzschild-Radius zu-ordnet. Wird nun der Schwarzschild-Radius großer als diebetrachtete Lokalisation, so diskutiert man eine Lokali-sation innerhalb eines Schwarzen Lochs, und das ist voneinem Standpunkt außerhalb des Schwarzen Lochs phy-sikalisch sinnlos. Ein Gedankengang dieser Art fuhrt zueiner Lange von 10−35m. Diese betrachtet man als denkleinsten, physikalisch noch sinnvollen Wert fur die An-gabe eines Abstands. In die Berechnung gehen ein dieKonstanten der Gravitation, der Quantenmechanik undder Relativitatstheorie. Diese Lange, die sich ausschließ-lich aus fundamentaler Physik bestimmt, bezeichnet manals Planck-Lange. Dividiert man sie mit der Lichtge-schwindigkeit, so folgt daraus eine kleinste, physikalischnoch sinnvolle Zeitdifferenz, die Planck-Zeit. Entspre-chend erhalt man den Energieinhalt, die Planck-Energie,

und die davon abgeleitete Energiedichte, welche extremhoch ist.

C. Inflationare Expansion

Das Modell der Inflation geht davon aus, dass es zu An-fang, aus nicht verstandenen Grunden, einen sehr kleinenBereich gab mit Energiedichten in der Großenordnungder Plank-Skala. Manche sehen in der Erzeugung diesesanfanglichen Bereichs eine Art von Quantenfluktuationvon Feldern oder von Objekten, die wir nicht kennen.Modellmaßig beschrieben werden nur die Vorgange nachdem Anfang. Die Expansion des anfanglichen Bereichsfolgt den Gesetzen der Allgemeinen Relativitats Theorie.Entscheidend ist nun die Annahme, dass danach sehrbald ein Feld wirksam wurde, dessen Energiedich-te nur wenige Großenordnungen kleiner war als diePlanckdichte, und dass sich fur eine gewisse Zeitdauerder Expansion diese Energiedichte nur wenig anderte.Diese naherungsweise Konstanz der Energiedichte diesesFeldes, ein ganz eigenartiges Verhalten, ist als zentraleAussage des Inflationsmodells anzusehen. Manche stel-len sich vor ein Feld mit einer Energiedichte, die einerquantenmechanischen Nullpunktsenergie entspricht.Deswegen wird dieses Feld haufig auch als FalschesVakuum bezeichnet. Ihm entspricht eine Raum-ZeitDynamik, wie sie eine kosmologische Konstante erzeugenwurde, die jedoch nur fur eine gewisse Zeitspannewirksam ist. Dem sehr hohen Wert der Energiedichteentspricht eine extreme Schnelligkeit der Expansion mitnaherungsweise konstant bleibender Beschleunigung,wir hatten dies beim Friedmann Modell der Allge-meinen Relativitatstheorie kennengelernt. Die Phaseder Expansion, in der die Energiedichte so langsamabnahm, dass sie naherungsweise noch wie eine Kon-stante erschien, wird als “slow roll“ bezeichnet. Danachfolgte eine Phase, in der diese Energiedichte uberging inein Strahlungsfeld sehr hoher Temperatur, in dem dieuns bekannten Elementarteilchen hervorgingen. DiesenProzess bezeichnet man als “reheating“. Man sprichthier auch gerne von einem Phasenubergang. Aus einemsehr einfachen, moglicherweise quantenmechanischgeordneten Zustand entstand ein wesentlich komple-xerer, die Entropie hatte zugenommen. Formal erfasstman dies, indem die Potentielle Energie des Feld voneiner Feldgroße abhangt, die als dynamische Variablezu betrachten ist, sodass der zeitlichen Ablauf durcheinen Tragheitsparameter und durch die Abhangigkeitder potentiellen Energie von der Feldgroße bestimmtist. Slow roll bzw. reheating entsprechen dann Berei-chen hoher, nahezu feldunabhangiger bzw. minimalerFeldenergie. Die freigesetzte thermische Energie im Pha-senubergang entspricht der kinetischen. Je nach Modellkonnen auch mehrere Feldgroßen in die Theorie eingehen.

Die Phase des reheating stellt den heissen Urknall (hotbig bang) dar, und mit ihr begann die verzogerte Expan-

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sion. Mit abnehmender Temperatur wurde die Physikder elementaren Teilchen und ihrer Wechselwirkungenrelevant. Dies alles ist eine Beschreibung des Anfangs,keine Erklarung, denn wir kennen weder die physikali-sche Natur des Felds der inflationaren Phase noch dieGrunde fur das Ende dieser Phase. In Berechnungen mitModellen hat man in irgendeiner Form die Abnahmeder Energiedichte am Ende der inflationaren Phase zuparametrisieren.

Die Inflation ist Ursache dafur, dass sich aus ei-nem mikroskopisch klein gedachtem Beginn ein Kosmosentwickelt, der sehr viel großer ist als der heute beobacht-bare. Den Kosmos in der Gesamtheit konnen wir nichtbeschreiben, wir haben uns auf den uns zuganglichen undvergleichsweise kleinen Ausschnitt zu beschranken. Soerledigt sich das Problem einer Krummung des Raums:Das beobachtete euklidische Verhalten ergibt sich ausder einfachen Tatsache, dass ein sehr kleiner Bereicheines insgesamt irgendwie gekrummten Raums immernoch als geradlinig erscheint. Der in der inflationarenPhase neu erzeugte Energieinhalt ist riesig, verglichenmit dem davor. Da dieser homogen verteilt ist, sindetwaige raumliche Inhomogenitaten des Anfangs so starkverdunnt, dass der beobachtbare Kosmos als homogenerscheint. Weiterhin wurden exotische Teilchen, diebei den Energiedichten der Planckskala moglicherweiseerzeugt worden sind, raumlich so stark getrennt, dasssie allein schon deswegen heute nicht zu beobachten sind.

Der Energieinhalt des Kosmos entstand in dieser Phaseder Inflation gemeinsam mit dem Feld der Gravitation.In der Sprache der Newtonschen Mechanik heben sich derEnergieinhalt des Kosmos und das Feld der Gravitationgegenseitig auf. Wir haben also ein Entstehen beinaheaus dem Nichts, verursacht durch die Eigenschaften desAnfangs, dem die Rolle eines Keims, eines Katalysatorszukommt. Energiedichte, Gravitation und Expansion desRaums sind untrennbar miteinander verkoppelt. Das,was im verzogert expandierenden Kosmos als Feinab-stimmung von Energiedichte und Expansion angesehenwerden mag, ist somit Folge und nicht Ursache.

D. Kosmische Quantenfluktuationen

Fur die beschleunigte Expansion nimmt man extremhohe Werte an. Dann ist das physikalische Geschehenan einem bestimmten Ort nur noch von seiner unmit-telbaren Umgebung bestimmt. Alles, was nach sehrkurzer Zeit, auf Grund der beschleunigten Expansiondes Raums, hinter dem Horizont verschwindet, konntenicht mehr auf diesen Ort zuruckwirken.

Wichtig ist, dass dieser Horizont eine Langenskalavorgibt, mit der die Heisenbergsche Unbestimmtheits-beziehung relevant wird: Die Quantenmechanik erlaubt

es einem System kurzzeitig in einen anderen Zustanduberzugehen und dabei die Forderung nach Erhaltungder Energie zu verletzen. Die Verletzung der Energieer-haltung darf dramatisch sein, sofern nur die Zeitdauerder Verletzung entsprechend kurz ist. BeobachtbareEffekte ergeben sich jedoch immer erst dann, wenndie Ruckkehr des Systems in den ursprunglichen Zu-stand verhindert ist. Auf diese Weise versteht man,z.B. in der Quantenelektrodynamik, die beobachtetenWechselwirkungen. Elektrisch geladene Teilchen erzeu-gen standig Feldquanten, die sie anschliessend wiedervernichten. Nur wenn die Vernichtung des Feldquantsan einem anderen elektrisch geladene Teilchen erfolgt,wird eine Wechselwirkung vermittelt, in welcher derImpuls des Feldquants von einem Teilchen auf dasandere ubertragen wird. Im Fall der Inflationaren, d.h.beschleunigten Expansion geht es darum, dass Bereiche,welche die Erhaltung der Energie verletzten, den Hori-zont uberschreiten. Damit wird die Wiederherstellungdes ursprunglichen Zustands unmoglich. Entscheidenddabei ist, dass diese lokale Anderung der Energie, dieQuantenfluktuationen der Energiedichte, sich darstelltals Fluktuation der Metrik von Raum und Zeit. Dasist die Konsequenz der Allgemeinen Relativitats-Theorie.

Die Fluktuation der Metrik ruhen im Raum und ex-pandieren mit diesem. Innerhalb des Horizonts ihreStarke gemaß der Heisenbergschen Unbestimmtheits-Relation bestimmt. Uberschreitet die Fluktuation aufGrund der Expansion des Raums den Horizont, so istihre Starke am Horizont allein durch dessen Großefestgelegt. Soweit dieser konstant zeitlich ist, bleibtauch die Starke der Fluktuationen in dieser Zeitspannekonstant. Nimmt jedoch wahrend der InflationarenPhase die Energiedichte des Inflationaren Felds mit derZeit etwas ab, so wachst der Horizont mit der Zeit, undentsprechend schwacher sind die ihn spater verlassendenFluktuationen. Entscheidend ist, dass ausserhalb desHorizonts die relativen Starken der Fluktuationen derMetrik, und damit der Energiedichte, erhalten bleiben.Fur die Phase der beschleunigten Expansion ist dies eineverbluffende Aussage: Die Zunahme des Energieinhaltdes Universums auf Grund der Inflation verdunnt dierelativen Starken der Fluktuationen nicht.

Im nachfolgenden Phasenubergang zur verzogertenExpansion blieb die relative Starke der Fluktuationder Metrik erhalten, (genauer: sie hatte sich zu Endeder Inflation sogar noch etwas verstarkt). Als spaterdiese Bereiche der Fluktuation aus dem Horizont wiederhervortraten, hatten sie nichts von ihrer relativen Starkeverloren! Auf Grund der Verknupfung von Metrik undEnergiedichte gingen quantenmechanisch mikroskopischeStrukturen uber in makroskopisch kosmologische!

Fluktuationen ruhen im Raum. Heute unterscheiden sichsolche aus fruheren Zeitpunkten von denen aus spaterendurch ihre raumlichen Ausdehnungen, entsprechend

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der nachfolgenden Expansion des Raums. Ihre Starkenzeigen nur geringe Abweichungen von einer Skalenin-varianz, dies ist eine besonders einfache statistischeVerteilung. Mittlerweile ist es aus der Analyse derKosmischen Hintergrundstrahlung gelungen, fur diezeitlich spateren Fluktuationen eine etwas geringereStarke nachzuweisen, der

”Spektralindex“ ist etwas

kleiner als eins. Im Rahmen des skizzierten Modellszeigt diese Abweichung, dass die Energiedichte des in-flationaren Felds geringfugig mit der Feldgroße abnahm.Die Anzahl der erzeugten Fluktuationen pro Zeit istals freier Parameter des Modells anzusehen. Modelliertman die anschließenden, gravitativ ablaufenden erstenKonzentrationsprozesse bis zum Zeitpunkt der Emissionder Kosmischen Hintergrundstrahlung, so erhalt mandie dort beobachtete Verteilung der Korrelationen. Diesbetrifft die beobachteten Winkelbereiche kleiner als einBogengrad. Sie gehen hervor aus von Quantenfluktua-tionen zu eher spateren Zeitpunkten, und sind durch diediskutierten Ausgleichsprozesse im Plasma modifiziert.Die beobachteten Strukturen in Winkelbereichen großerals ein Bogengrad hingegen zeigen die Quantenfluktua-tionen zu fruheren Zeitpunkten der inflationaren Phase,jedoch ohne Modifikation. Sie zeigen die relative Starken,wie sie damals erzeugt wurden, kurz nach der Planckzeit.Ein faszinierender Aspekt! Aus der Anpassung an dieexperimentellen Daten folgt die Annahme eines sehrfruhen Zeitpunkts und einer sehr kurzen Zeitdauerdieser insgesamt extrem schnellen inflationaren Expan-sion. Sie umfasste eine Ausdehnung um mindestens 30Großenordnungen. In der dann anschließenden Phase derverzogerten Expansion hatte sich der Raum bis heuteum mindestens weitere 30 Großenordnungen ausgedehnt.

Das Konzept der Inflation kann man als ein minimalisti-sches Modell auffassen. Es erklart in konsistenter Weisedie Homogenitat und die Isotropie des beobachteten Kos-mos, das Euklidische Verhalten des Raums und insbeson-dere die Quantenfluktuationen, den Ausgangspunkt allerStrukturbildung. Die aktuelle experimentelle Forschungsucht nach Abweichungen von den einfachsten Modellan-nahmen.

E. Zum Konzept

Die anfangliche Situation war bestimmt durch Gravi-tation und Quantenphysik. Wir haben keine Theorie,die beides umfasst, somit ist der Begriff der PlanckSkala eine pauschale Umschreibung. Da mit dem Anfangauch Raum und Zeit entstanden, kommt naturlich dieFrage auf, ob auch diese Begriffe quantenhafte Strukturhaben, ob sie aus einem Ansatz folgen. Jedenfalls hattedie anfangliche Situation im Bereich der Planck Skaladie Eigenschaft, das inflationare Feld hervorzubringen.Das die Daten erfolgreich beschreibende Konzept einesinflationaren Felds fuhrt zu theoretischen Fragen, dieoffen sind. So entsteht die Frage, ob das Entstehen

eines Universums mehrfach erfolgt, ob es noch weitereUniversen gibt. Letztlich wird es darum gehen Wegeaufzuzeigten, um Aussagen dieser Art zu falsifizieren.

Aus dem Inflationaren Feld entstand die uns heutebekannt Materie. Dieser Vorgang zeigt Eigenschafteneines Phasenubergangs. Wie dieser Prozess im Einzelnenablief ist eine der großen Fragen. Danach gab es nurnoch solche Prozesse der Wandlung, die wir physikalischnachvollziehen konnen.

Diese Vorstellungen zum Anfang werden als notwendigangesehen um die Eigenschaften des so Entstandenen zuverstehen. Man kann dies als ein induktive, bottom-upStrategie bezeichnen, die ausgeht von den Phanomenen.Eine deduktive, top-down Herleitung aus einem umfas-senden Naturgesetz gibt es noch nicht. Diese erst warephysikalisches Verstehen im eigentlichen Sinne. Dazuallerdings bedarf es neuer Einsichten in die Grundlagender Physik.

Das Ende der Inflation war verbunden mit der Erzeu-gung der uns heute bekannten Teilchen und Felder.Man versucht, dies mit einem Higgs-Feld und auchmit Supersymmetrie zu verstehen. Das Modell derinflationaren Expansion geht explizit aus von einemsymmetrischen Universum. Damit ist gemeint, dass mitdem Ende der Inflation Teilchen und Antiteilchen paar-weise entstanden sind. Das Mehr an Teilchen gegenuberden Antiteilchen ist eine Brechung dieser Symmetrie,muss sich im Zeitraum dieser Phasenubergange ergebenhaben. Die uns vertraute Materie heute entspricht alleindiesem Uberschuss an Teilchen.

Das Modell der Inflation beinhaltet eine pauschale Be-schreibung der Entstehung des Energieinhalts des Uni-versums. Energiedichte und Gravitation waren so mitein-anderverknupft, dass ihre wechselseitige Erzeugung ausdem Nichts heraus physikalisch konsistent ist. Die Ener-giedichte bestimmt die Raumzeit, die sich als Expansiondarstellt.

F. Elementarteilchenphysik und ExperimentelleStrategien

In der kosmischen Expansion durchlief das Feld eineweite Skala von Energiedichten, mit anfangs sehr hohenWerten. Dies schafft einen engen Bezug zur Teilchen-physik.

Einen Zugang zu einer Theorie, die Quantenphysikund Gravitation umfasst, erhofft man sich aus denUberlegungen zur Stringtheorie. In dieser hat der Raum10 oder 11 Dimensionen. Die elementaren Objekte sindfadenformige Strukturen, Strings, und vielleicht auchFlachen, die sich aus diesen erzeugen lassen. Ein Teildieser Dimensionen ist lokalisiert gedacht, aufgewickelt,

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sodass man es in großeren Abstanden nur mit denvertrauten 4 Dimensionen von Raum und Zeit zu tunhat. Wichtig sind nun die Bewegungen der Strings. Diesesind irgendwie quantisiert gedacht. Im 4-dimensionalenRaum erscheinen sie in den angesprochenen Abstandenals Elementarteilchen und Feldquanten. Bei diesemVorgehen haben die Feldquanten Quantenzahlen, beidenen auch die Gravitation mit dabei sein sollte. DieTheorie ist jedoch alles andere als eindeutig. Da derAnsatz rein formal ist, haben wir es mit einer Art vonGruppentheorie zu tun, die nicht notwendig auf diePhysik von Elementarteilchen beschrankt ist. Man darfauf die weitere Entwicklung gespannt sein.

Die Starken der fundamentalen Wechselwirkungen unddie Massen der elementaren Teilchen stehen heute nochals unverbunden da. Man mochte diese Großen verstehenals Folge von Symmetriebrechungen einer fundamen-talen Beschreibung. Diskutierte Konzepte sind derHiggs-Mechanismus und die Supersymmetrie (SUSY).Beide Konzepte gehen davon aus, dass alle elementarenWechselwirkungen - mit Ausnahme der Gravitation -und alle elementaren Teilchen einen einheitlichen Ur-sprung haben. Man beschreibt dies durch entsprechendeSymmetrien. Diese Symmetrien jedoch sind gebrochen,sodass bei den uns zuganglichen Energien die Massender elementaren Teilchen und die Starken der elemen-taren Wechselwirkungen, der Elektromagnetischen, derSchwachen und der Starken, sich ganz unterschiedlichdarstellen. Dies ist der Higgs-Mechanismus. Er ist Teildes Standard-Modells. Das Standard-Modell ist extremerfolgreich und experimentell sehr sorgfaltig untersucht.Der einzige noch fehlende Baustein darin ist der expe-rimentelle Nachweis des Higgs Teilchens. Dabei ist esoffen, ob es nur eine Sorte oder mehrere verschieden gibt.

Das Konzept der Supersymmetrie ordnet jedem derbekannten Elementarteilchen und jedem der bekanntenQuanten der Wechselwirkungen ein supersymmetrischesPartnerteilchen zu. Diese haben, auf Grund einer starkenBrechung dieser Symmetrie, Massen oberhalb des Be-reichs, der uns an Beschleunigern zuganglich ist. Mit denhoheren Energien am LHC, dem neuen Beschleunigeram CERN, erhofft man den Nachweis sowohl der Higgs-Teilchen als auch der leichtesten Supersymmetrischen.Die leichtesten Supersymmetrischen Teilchen geltenals die naturliche Kandidaten fur Dunkle Materie, undwurden auch deren beobachtete Haufigkeit erklaren.Auch beeinflussen sie die Starken der Wechselwirkun-gen. Berechnet man, ausgehend von den beobachtetenWerten, deren Verhalten bei hoheren Energien unterBerucksichtigung der Supersymmetrischen Teilchen, sosollten diese bei einem entsprechend hohem Wert derEnergieskala zusammenfallen. Damit hatte man denAusgangspunkt verifiziert.

Die Teilchen der Dunklen Materie sollten eine Massehaben, die der Großenordnung nach bei der Masse von

schweren Atomkernen liegt. Ihre Geschwindigkeiten sinddurch das Gravitationspotential der von ihnen gebildetenGalaxien bestimmt. Bisher kennen wir Dunkle Materienur durch ihren Beitrag zur Gravitation in Systemenvon zumindest galaktischen Dimensionen. Davon un-abhangige Nachweise erhofft man von Detektoren, indenen Stoße von Teilchen der Dunklen Materie mit denAtomkernen von Detektoren nachgewiesen werden. Mangeht davon aus, dass solche Stoße, falls es sie denn gibt,nur auf Grund der Schwachen Wechselwirkung erfolgenund dementsprechend selten sind. Dabei ware die aufAtomkerne ubertragene Ruckstoßenergie zu klein umdie umgebende Materie ionisieren. Dementsprechend hatman Ruckstoße dieser Art noch nicht beobachtet. Eswird jedoch versucht die geringen Ruckstoßenergien uberdie Erwarmung von Detektorkristallen nachzuweisen.Der Kunstgriff dabei ist, die Warmekapazitat durchAbkuhlen auf tiefste Temperaturen extrem zu reduzieren.

Man spricht gerne von Kalter Dunkler Materie. Dasbezieht sich auf die Situation, die aus der kosmischenExpansion folgt. Auf Grund der fehlenden Starken undElektromagnetischen Wechselwirkung hatten sich dieTeilchen der Dunklen Materie schon sehr fruh vomthermischen Gleichgewicht abgekoppelt, dementspre-chend fuhrte die anschliessende Expansion heute zueiner sehr tiefen Temperatur. Wegen der fehlendenStreuprozesse einzelner Teilchen blieb diese auch er-halten. Ihre Geschwindigkeiten heute ergeben sich ausden Gravitationsfeldern, in denen siesich im Laufe ihrerExistenz bewegt haben, und die sich im Laufe der Zeitentwickelt haben. Deshalb hat man in den Galaxienein Gemisch von Bereichen mit ganz unterschiedlichenGeschwindigkeiten zu erwarten, die selber jedoch jeweilssehr kalt sind.

Eine anderere Strategie des Nachweises Dunkler Materieberuht auf der Annnahme, dass diese aus Teilchen undihren Antiteilchen bestehen. Sie wurden wie alle Materiein der Fruhphase paarweise im heissen Plasma erzeugt.Solange Temperatur und Dichte hoch genug waren, stan-den Erzeugung und Vernichtung im thermodynamischenGleichgewicht. Danach jedoch wurde entscheidend, dassdie Vernichtung Dunkler Materie nur uber die SchwacheWechselwirkung erfolgen konnte und somit entsprechendselten erfolgt. Dementsprechend ergab sich auf Grundder Expansion des Raums bereits zu einem vergleichs-weise fruhen Zeitpunkt die Situation, dass die paarweiseVernichtung der Teilchen und Antiteilchen der DunklenMaterie keine wesentliche Rolle mehr spielte, ihre Dich-te war zu gering dafur, der verbliebene Rest uberdauertedie weitere Expansion. Die Situation ware vergleichbarmit der von kosmischen Neutrinos. Diese wurden in Paa-ren von Teilchen und Antiteilchen erzeugt und entgingenschon bald ihrer paarweisen Vernichtung auf Grund ihrergeringen Wechselwirkung.

Ausgehend von einer weitgehend homogen Verteilungkonzentrierte sich die kalte Dunkle Materie in dem

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diskutierten Prozess der Galaxienbildung. Somit gibtes heute fur die Dunkle Materie Bereiche wesentlichgesteigerter Dichte, und man kann erwarten, dass indiesen Prozesse der paarweisen Vernichtung DunklerMaterie mit beobachtbaren Raten stattfinden. Es gehtnun darum Zerfallsprodukte zu beobachten, die als Si-gnatur geeignet sind. Kandidaten sind Gamma Strahlenim GeV Bereich. Man muss diese naturlich von der ausanderen Quellen unterscheiden. So darf man auf dieEntwicklung gespannt sein.

Eine weitere Aufgabe wird es sein, experimentell nach-gewiesene Dunkle Materie physikalisch zuzuordnen. EinAnsatz unter anderen ist das Modell der Supersymme-trie. Diskutiert wird Dunkle Materie als Supersymmetri-scher Partner von Lichtquanten. Es wird spannend, obund wie Kosmologie und Elementarteilchen-Physik hierzusammenkommen.

XII. RESUMEE

Der zunachst skizzierte Kenntnisstand zur physika-lischen Geschichte der Erde, der Sonne, der Galaxisund der Galaxien, der Schwarzen Locher und, mitEinschrankungen, der Dunklen Materie, gilt als weitge-hend gesichert. Dabei geht es jeweils um Prozesse derStrukturbildung aus einer eher homogenen Ausgangssi-tuationen. Die Kosmologie im engeren Sinn befasst sichmit der Entwicklung des Universums als Ganzem undbeschreibt einen Expansionsprozess, fur den ein Anfangvorausgesetzt wird. Experimentelle Informationen hierzuhaben wir aus den vielen Untersuchungen zur Hubble-Beziehung zwischen Rotverschiebung und Entfernungvon Galaxien, aus der Kosmischen Hintergrundstrahlungund aus der Primordialen Elementsynthese. Aus denUntersuchungen zur Hubble-Beziehung kennen wir diegroßraumige Struktur in der Verteilung von Galaxien-haufen. Die Typ-Ia-Supernovae als Entfernungsmesserzeigen uns die gegenwartig stattfindende beschleunigteExpansion. Saul Perlmutter (*1959), Brian Schmidt(*1967) und Adam Riess (*1969) erhielten

”fur die Ent-

deckung der beschleunigten Expansion des Universumsdurch Beobachtungen weit entfernter Supernovae“ 2011den Nobelpreis. Die Verknupfung dieser Phanomene zueiner fur den gesamten Bereich gultigen Beschreibungerfordert zwei Energie tragende Feldern zu postulieren:das Feld der Inflation, aus dem der gesamte Energiein-halt des Kosmos hervorgegangen war, und das Feld derDunklen Energie, welches in der gegenwartigen Spatpha-se sichtbar wird. Das Feld der Inflation beschreibt dieEntstehung aus dem Nichts. Es verschwand, als aus ihmin Phasenubergangen die uns heute bekannten Formenvon Energie und Materie entstanden. Ob das Feld derDunklen Energie eine physikalisch erklarbare Ursachehat oder einfach eine Eigenschaft des Raums darstellt,erscheint als offen. Beide Felder haben gemeinsam, dassihre Energiedichten als unabhangig von der Expansion

des Raums angenommen werden konnen. Dies Verhaltenentspricht dem einer kosmologischen Konstanten. Einesolche Konstante wurde von Einstein als vertraglichmit der Allgemeine Relativitatstheorie erkannt, un-abhanig von ihrem Zahlenwert. Bei Expansion desRaums beschreibt sie eine Zunahme des Energiein-halts des Raums, die aus der ebenfalls zunehmendenGravitationsenergie gespeist wird. Die Summe dieserbeiden Anderungen der Energie ist Null. Die Physikdes Anfangs verbindet Konzepte der Kosmologie undder Elementarteilchenphysik. Das Paradigma eines An-fangs folgt aus Einsteins Allgemeiner Relativitatstheorie.

Sehr deutlich sollte man daran erinnern, dass die kos-mologische Diskussion auf zum Teil dunnem Eis gefuhrtwird. Sie basiert auf der Einsteinschen Allgemeinen Re-lativitatstheorie. Von den heute kosmologisch relevantenEnergien sind nur 5 Prozent physikalisch bekannten For-men zugeordnet. Die Natur der Dunklen Materie ist nochunbekannt. Die Dunkle Energie, heute mit etwa 70 Pro-zent der wichtigste Beitrag zum Energieinhalt des Uni-versums, wurde formal eingefuhrt um den Rahmen derphysikalischen Gesetze, und insbesondere die der Allge-meinen Relativitatstheorie, nicht zu verlassen. Die Kos-mologie fordert dazu auf, die Physik in einen neuen, brei-teren Rahmen zu stellen.

Physik ist mehr als die Zuruckzufuhrung neu entdeckterPhanomene auf jeweils neu postulierte Modellvorstellun-gen. Um neue Modellvorstellungen als Teil der Physik zubetrachten, sollten sie daruber hinaus Vorhersagen furandere Systeme machen, die experimentell nachprufbarsind. So bezog sich Newtons Gravitationsgesetz uberhundert Jahre lang nur auf Krafte, die ihren Ursprung inder Erde oder in der Sonne hatten. Der Schritt weg vondiesen Himmelskorpern zu Objekten im Laboratoriumgelang erst Cavendish. In kunstvollen Experimenten maßer fur zwei Korper deren wechselseitige Anziehung alsFunktion ihrer Massen und der Abstande voneinander,und bestimmte so erstmals Newtons Konstante, dieBasis aller kosmologischen Berechnungen. Manchesbraucht eben Zeit, der spekulative Charakter der aktu-ellen Kosmologischen Vorstellungen spricht nicht gegensie. Historisch gesehen gibt es keinen Grund fur einekonservative Einstellung. Wesentlich ist die logischeStringenz des Modells, und so wird die Wissenschaft derKosmologie sicher sehr spannend bleiben.

Denkt man uber das, was hier als kosmologisches Ge-schehen vorgestellt wurde, unter eher weltanschaulichenGesichtspunkten nach, so vermittelt die Physik derKosmologie sehr konkrete Vorstellungen von einemAnfang und von moglichen Formen des Endes, von derEntwicklung von Strukturen, und auch davon, wie inunterschiedlichen Großenordnungen ganz verschiedeneGesetzmaßigkeiten relevant werden.

Sie zeigt auch in beeindruckender Weise die Rolledes Zufalls. Prozesse, die fur unsere Existenz letztlich

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entscheidend sind, waren stochastischer Natur: dieVerteilung der Quantenfluktuationen am Anfang iststochastisch, die Entstehung eines jeden Sterns ausriesigen Bereichen von Supernova-Staub erfolgt aus einerZufallssituation, ebenso die Bildung der einzelnen Plane-ten aus einer rotierenden Staubscheibe, und spater danndie Einschlage eines Protomondes und anderer Kometenauf die Erde. Diese Relevanz des Zufallsgeschehens setztsich fort in der Geschichte der Biologie: Voraussetzungder Evolution des Lebens war gerade die Vielzahl derSelektionskriterien, die in ganz unterschiedlicher Weisewirksam wurden und jeweils Minderheiten bevorzugthatten. Die geanderten Selektionskriterien erschienenzumeist als Umweltkatastrophen, Meteoreinschlage,Verlagerungen der Erdkruste, Klimawechsel, Brande,alles Ereignisse die wir als stochastisch ansehen.

Im Zusammenhang mit der Frage nach dem Zufall kannman auch nach der Bedeutung der Naturkonstanten fra-gen. Nach dem Stand der Kenntnis heute haben wir furdie Massen der elementaren Teilchen und die Starkender elementaren Wechselwirkungen deren Zahlenwerteals vorgegeben zur Kenntnis zu nehmen. Eine ubergrei-fende Theorie, aus der diese folgen, wird noch gesucht.Hatten diese Zahlen nur geringfugig andere Werte, soware vieles, und insbesondere unsere Existenz, in Fragegestellt. Angesichts einer Situation, welche die Entwick-lung des Universums, trotz aller stochastischen Prozesse,als zielgerichtet erscheinen lasst, kann man auch an Ein-steins viel zitierte Frage denken, ob Gott, als er die Welterschuf, dabei auch eine Wahl gehabt hatte. Sobald manuberlegt, ob eine ubergreifende Theorie Spielraum lasst,kann man auch weiter fragen, ob die Natur diesen auchrealisiert. Vorstellungen, dass es noch weitere Universengeben konnte, in denen sich die Physik in modifizierterForm darstellt, werden so attraktiv. Um diesen Vorstel-lungen jedoch den Anspruch von Wissenschaftlichkeit zugeben, hatte man Experimente auszudenken, welche diebehaupteten Vorstellungen auch als falsch erweisen konn-ten. Auch diese hatten davon auszugehen, dass wissen-schaftlich begrundete Vorstellungen von Raum und Zeitgrundsatzlich verbunden sind mit der Entwicklung desuns bekannten Universums. Im Hinblick auf die Zeit stelltder Anfang eine Barriere dar, da er Kausalitat, die Rei-hung von Ursache und Wirkung, auflost. Damit ist alleEmpirie beschrankt auf den Bereich, aus dem uns Lichterreichen kann.

XIII. DANK

Diese Niederschrift hat das Ziel, unter Vermeidung vonFachsprache uber Beobachtungen und Vorstellungen zusprechen, die mir zum Verstandnis der Kosmologie alswichtig erscheinen, und diese als Physik darzustellen.Sie ist gepragt von dem, was ich im Munchener Umfeldmitbekomme.

Es gibt aktuelle Darstellungen von fachkundigen LMUKollegen. Die Bucher von Gerhard Borner und vonHarald Lesch wenden sich an einen breiteren Leserkreis,ebenso wie das von Gunther Hasinger, der immerhinan der LMU begonnen hatte. Der Text von ViatcheslavMukhanov wendet sich eher an den Fachstudenten. Undnaturlich ist das Web eine Fundgrube.

Mein herzlicher Dank fur eine Durchsicht des Manu-skripts in einem fruhen Stadium und fur wichtige An-regungen gilt Otmar Biebel und Andreas Muller.

XIV. NACHTRAG: PHYSIKALISCHEGRUNDLAGEN

Im Folgenden sollen einige der verwendeten physika-lischen Grundlagen im Zusammenhang angesprochenwerden. Die Vergangenheit ist mit der Gegenwartverknupft durch die Erhaltungssatze der Physik. Diessind die Erhaltung von Energie, Impuls, Drehimpuls undder Anzahl von elementaren Teilchen. Die Geschichteder Sonne war ein Bericht uber die zeitliche Ent-wicklung eines Gleichgewichts. Dementsprechend sindBegriffe der Thermodynamik, Druck und Temperaturdie relevanten Großen. Dabei ist die Temperatur einMaß fur die mittlere kinetische Energie der einzelnenObjekte. Anderungen der Temperatur ergaben sich ausder Wirkung der Gravitation, einer der elementarenWechselwirkungen der Physik. Die Gravitation bewirktAnziehung, nie Abstoßung. Ihre Starke ist proportionalder Masse und kann bei entsprechender Akkumulationvon Masse extreme Werte errreichen. Verglichen mit deranfanglichen Gas-Staubwolke ist die Sonne ein kompak-tes System, das sich selbst bindet. Bei der Kontraktionhatte die Gravitation Energie frei gesetzt: potentielleEnergie wurde in kinetische Energie gewandelt, unddiese durch nachfolgende Stoßprozesse in Warmeenergieuberfuhrt. Gleichgewicht in einem starker gebundenenZustand stellte sich jeweils erst dann wieder ein, wennein Teil dieser Bewegungsenergie durch Abstrahlungvon Warme aus dem System entfernt worden war. DasGleichgewicht bedingt, dass das System umso starkergebunden ist, je kleiner es geworden ist. Auch wachst mitder Bindung die Bewegungsenergie im Innern und damitdie Temperatur. Die Existenz der Planeten verdankenwir dem Drehimpuls der anfanglichen Gas-Staub Wolke.Wenn auch die Masse der Sonne die der Planeten umGroßenordnungen ubertrifft, so gilt fur die Drehimpulsegerade des Gegenteil. Nur so ist das System stabil.

Die Erzeugung von Energie aus Wasserstoff im Innernder Sonne beginnt, wenn Protonen die elektrischeLadung von Elektronen aufnehmen. Dabei werdenaus Protonen Neutronen und aus Elektronen Neutri-nos. Diese Reaktion, in der sich Wasserstoffatome inNeutronen und Neutrinos wandeln, ist aufgrund derEnergieerhaltung jedoch nur dann moglich, wenn sich

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die Neutronen sofort mit je einem weiteren Protonverbinden und so Deuteriumkerne bilden. Aus denenentsteht nach weiteren Reaktionsschritten das besondersfest gebundene Helium. Hierzu tragen alle elementarenWechselwirkungen bei: Die Umwandlung von Protonenzu Neutronen ist ein Prozess der Schwachen Wech-selwirkung. Der Energiegewinn bei den nachfolgendennuklearen Bindungen in Atomkernen ergibt sich ausder Starken Wechselwirkung. Die ElektromagnetischenWechselwirkung bestimmt die Anziehung von Protonenund Elektronen und die wechselseitige Abstoßung derProtonen. Weiterhin ist das Licht eine Folge dieserWechselwirkung. Die Erzeugung und Absorption vonLicht ist ursachlich verbunden mit der Anderung derBewegung von Elektronen.

Von der Erde aus sehen wir von diesem Geschehennur das Licht und, falls man die Apparaturen dazuhat, die Neutrinos. Beobachtet man mit einer hoch-empfindlichen Photozelle Licht niedriger Intensitat, soerscheint Licht als ein Strom von einzelnen Teilchen,den Lichtquanten. Die Wellenlange von Licht lasst sichmit einem Beugungsgitter messen. Alle Lichtquanteneiner bestimmten Wellenlange haben dieselbe Energie.Lichtquanten und Neutrinos sind elektrisch neutral,Lichtquanten haben keine, Neutrinos fast keine Masse.Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, bzw. fastmit Lichtgeschwindigkeit. Neutrinos unterliegen derSchwachen Wechselwirkung. Fur ihre Anzahl geltenErhaltungsgesetze. Auf Grund der Schwachen Wech-selwirkung durchdringen sie sehr große Schichten vonMaterie ohne irgendeine Reaktion. Ganz anders dieLichtquanten. Sie werden erzeugt oder vernichtet inWechselwirkung mit Elektronen. Durchsichtige Materiewie Glas oder Luft passieren sie nur, da Atome aufGrund ihrer quantenmechanisch bestimmten Eigen-schaften Licht nur im Bereich bestimmter Wellenlangenabsorbieren. Ein Beispiel dafur sind Fraunhofers Linien.

A. Teilchen und Felder

Neutrinos sind elementare Teilchen wie die Elektronenund die Quarks, die Bausteinen von Protonen und Neu-tronen. Nur diese sind stabil, fur ihre Anzahlen geltenErhaltungssatze. Entscheidend ist das von WolfgangPauli 1925 formulierte Ausschließungsprinzip. Zweigleiche elementare Teilchen konnen nie am selben Ortund nie im selben Zustand sein. Der Begriff Zustandgehort zur Quantenmechanik. Einfache Vorstellungendazu ergeben sich aus der 1926 von Erwin Schrodingerformulierten Wellengleichung und insbesondere aus der1927 von Werner Heisenberg publizierten Unscharferela-tion. Aus dem Pauliprinzip und der Quantenmechanikfolgt die Struktur aller Materie. Bei Atomen ist siebestimmt durch die elementaren ElektromagnetischenWechselwirkung von Elektronen und Atomkernen. Bei

Molekulen und festen Korpern entsteht die Struktur ausden Wechselwirkungen der Atome untereinander. Diesejedoch sind nicht mehr elementar, sondern folgen aus derStruktur der beteiligten Atome und der Elektromagneti-schen Wechselwirkung. Analog ist die Situation bei denProtonen und Neutronen, man spricht von Nukleonen.Sie bestehen aus Quarks und dem zwischen ihnenwirkendem Feld der Starken Wechselwirkung. Die Kraftezwischen den Nukleonen folgen aus ihrer Struktur undder Starken Wechselwirkung Die Schwache Wechselwir-kung ist zu schwach, um gebundene Systeme zu erzeugen.

Vergleicht man diese quantenmechanisch gebundenen Sy-steme mit den gravitativ gebundenen, so kann man nachder Rolle der Temperatur fragen. Von ihr ist nicht dieRede, solange man die jeweils tiefstliegenden Zustandediskutiert. Bei diesen ist die Bewegungsenergie bereits inder Nullpunktsenergie enthalten, und diese folgt unmit-telbar aus Heisenbergs Unscharfe-Relation. Die Tempera-tur kommt erst ins Spiel, wenn man angeregte Zustandebetrachtet.

B. Feldquanten

Soviel zu den Teilchen. Das Licht hingegen besteht ausFeldquanten. Sie werden von elektrischen Ladungenerzeugt und absorbiert. Neben den genannten Beispielenkann man an Ausstrahlung und Empfang von Radiowel-len mit einer Antenne denken oder an die Emission vonSynchrotronstrahlung in Beschleunigern fur Elektronen.Die Elektromagnetische Wechselwirkung versteht manals Austausch dieser Feldquanten. Im Gegensatz zuden elementaren Teilchen folgen Feldquanten nicht demPauliprinzip, vielmehr ist gerade das Gegenteil der Fall:Feldquanten sind besonders gern im selben quanten-mechanischen Zustand. Darauf basiert das Prinzip desLasers. Der Strahl dieser besonders effektiven Lichtquellebesteht aus extrem vielen Photonen, die im Idealfallalle im selben quantenmechanischen Zustand sind. DerLaserstrahl ist die makroskopische Darstellung einesquantenmechanischen Zustands. Seine Besetzung mitvielen Feldquanten kann man an ihm im Detail studieren.

In analoger Weise werden auch die anderen elementarenWechselwirkungen durch Feldquanten vermittelt. Die derSchwachen Wechselwirkung wurden in den 80-iger Jahrenam LEP-Beschleuniger des CERN entdeckt. Sie ahnelnden Photonen der Elektromagnetischen Wechselwirkung.Statt masselos zu sein, sind sie jedoch extrem schwer undzerfallen nach sehr kurzer Zeit. Auch konnen sie elek-trische Ladung tragen. Die Starke Wechselwirkung wirddurch Gluonen vermittelt. Experimentell kann man sienur indirekt nachweisen, man versteht sie auf Grund ih-rer Wirkungen. Im Gegensatz zu den anderen Feldteil-chen wechselwirken die Gluonen miteinander, und tra-gen so zur Masse von Protonen und Neutronen bei, dieerheblich großer ist als die Masse ihrer Bausteine, der

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Quarks. Die Feldquanten der Gravitation sind verknupftmit der Vorstellung von Gravitationswellen. Es wurden

große Apparaturen aufgebaut in der Erwartung, etwasdirekt nachzuweisen.

[1] V.Mukhanov,Physical Foundations of Cosmology,Cambridge Univ. Press (2005).

[2] G.Borner,Schopfung ohne Schopfer?DVA (2006).

[3] S.Weinberg,Die ersten drei Minuten,dtv (1980).

[4] G.Hasinger,Das Schicksal des Universums,C.H.Beck (2007).

[5] H.-T. Janka,Supernovae und kosmische Gammablitze,Spektrum Akademischer Verlag (2011).

[6] H.Lesch und J.Muller,Kosmologie fur Fussganger,Goldmann (2001).Weißt Du wieviel Sterne stehen?C.Bertelsmannn (2008).

Kosmologie fur helle KopfeGoldmann (2006).

[7] P.Davies,Der Kosmische Volltreffer,Campus (2008).

[8] Webseiten der Universitatssternwarte Munchenwww.usm.uni-muenchen.de

[9] Webseiten des MPA fur Astrophysikwww.mpa-garching.mpg.de

[10] Webseiten des MPE fur Extraterrestrische Physikwww.mpe.mpg.de

[11] Webseiten der ESOwww.eso.org/public/

[12] Physik Journal,diverse Beitrage

[13] Spektrum der Wissenschaftendiverse Beitrage