Rätselhaftes Universum - Kompendium des Wissens

Seit Jahrtausenden versuchen Astronomen, das Weltall zu verstehen. Wir wissen, dass es vor 13,7 Milliarden Jahren entstand, wie es sich entwickelt hat und dass es erdähnliche Planeten gibt. Und dennoch gibt es noch so viele Rätsel. Was ist die dunkle Materie, was ist dunkle Energie? Gibt es mehr als ein Universum? Was ist hinter dem Universum? Sind wir allein? Fragen über Fragen.

Die Grundkräfte der Physik: Alle Arten von physikalischen Kräften & Phänomenen lassen sich auf 4 Grundkräfte, auch Naturkräfte genannt, zurückführen. Diese sind die Gravitation, die Elektromagnetische Wechselwirkung (verantwortlich für Licht, Elektrizität und Magnetismus), die Schwache Wechselwirkung (verantwortlich für den Betazerfall) und die Starke Wechselwirkung (verantwortlich für den Zusammenhalt der Atomkerne und der Nukleonen). Die Forschung geht heute davon aus, dass bei höheren Energien, wie sie zu Zeiten kurz nach dem Urknall der Fall waren, diese Kräfte jedoch alle gleich sind. Die Vereinigung aller vier Kräfte in einer Theorie ist wichtigstes Ziel der Physik. Bisher konnten jedoch nur die Elektromagnetische und die schwache Kraft zur Elektroschwachenkraft vereinigt werden. Eine Theorie, die die Elektromagnetische, die Schwache Kraft und die Starke Kraft vereinigen nennt man Grand Unification Theory (GUT), eine abgeschlossene und allgemein anerkannte Theorie dieser Art liegt jedoch noch nicht vor. Eine Theorie die alle 4 Kräfte beschreibt, nennt man die Theory of Everything (TOE), oder auch Weltformel. Es gibt bereits zwei Kandidaten für eine Weltformel, die Stringtheorie und die Loop-Quantengravitation.

Superstringtheorie: Die moderne Physik steht auf zwei Säulen: der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik. Mit der Relativitätstheorie wird die Gravitation von makroskopischen, extrem massenreichen Objekten, wie Planteten, Sterne oder Galaxien beschrieben. Die Quantenmechanik hingegen beschreibt die anderen drei der vier Grundkräfte, auf mikroskopischer Ebene, also zwischen sehr kleinen Objekten wie zwischen Elementarteilchen. Es gibt aber auch Objekte, welche sowohl sehr klein als auch extrem massenreich sind. Beispiele dafür sind Schwarze Löcher oder Neutronensterne. Bisher gelang es nicht die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik in einer Theorie zusammenzufassen. Eine mögliche Theorie die beide Theorien vereinigt wäre die Theory of Everything (TOE). Die Superstringtheorie (kurz: Stringtheorie) ist ein Kandidat für eine solchen TOE. Die Stringtheorie basiert auf der Annahme, dass die Elementarteilchen keine punktförmige Teilchen ohne Ausdehnung sind – sondern vielmehr extrem kleine sich windene Fäden. Durch diese Annahme kann man die Konflikte, welche sonst bei der Vereinigung von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie auftreten, lösen. Die Schwingungsanzahl eines Strings bestimmt die Energie des Teilchens, daraus folgt durch Einsteins Relativitätstheorie (E=mc²) auch die Masse des Teilchens. Die Stringtheorie ist trotz jahrzehntelanger Forschung noch weit davon entfernt, vollständig zu sein. Aus der Stringtheorie folgen aber viele interessante neue Annahmen, wie das es nicht nur vier Dimensionen (drei Raum- und eine Zeitdimension) gibt, sondern dass 11 Dimensionen existieren, von denen sieben „zusammengeknüllt“ sind. Es wird angenommen dass die subatomaren Teilchen, aus denen das Universum besteht, durch die Schwingungen extrem kleiner „Superstrings“ in zehn räumlichen Dimensionen (plus einer elften Dimension der „Zeit“ ) erzeugt werden. Aus der Stringtheorie folgt desweiteren auch die Möglichkeit der Existenz von neuen Elementarteilchen. Das Higgs-Boson oder Higgs-Teilchen, ein nach dem britischen Physiker Peter W. Higgs benanntes Elementarteilchen aus dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik, ist ein solches neues Teilchen. Das Higgs-Teilchen gehört zum Higgs-Mechanismus, einer schon in den 1960er Jahren vorgeschlagenen Theorie, nach der außer dem Higgs-Boson selbst alle Elementarteilchen (beispielsweise das Elektron) ihre Masse erst durch die Wechselwirkung mit dem allgegenwärtigen Higgs-Feld erhalten. Die Bausteine des Standardmodells der Teilchenphysik lassen sich in vier Gruppen aufteilen: die Quarks (die Grundbausteine der Atomkerne), die Leptonen (z. B. das Elektron), die Eichbosonen (die die Wechselwirkungen zwischen Teilchen vermitteln) und das Higgs-Feld. Mit dem Nachweis des Higgs-Bosons wurde auch der Nachweis für das zugrunde liegende Higgs-Feld erbracht.

Expansion des Universums: Seit Tausenden von Jahren ringen Astronomen mit den grundlegenden Fragen über die Größe und das Alter des Universums. Ist das Universum unendlich oder hat es irgendwo eine Grenze? Hat es schon immer existiert, oder entstand es vor einiger Zeit in der Vergangenheit? 1929 machte der amerikanische Astronom Edwin Hubble, an der Caltech Universität in Kalifornien, eine entscheidende Entdeckung. Er fand heraus daß sich so gut wie alle Galaxien von uns fortbewegen (gemessen durch die Rotverschiebung) und dass ihre Fluchtgeschwindigkeit linerar mit der Entfernung zunimmt. Der russische Physiker Alexander Friedman erweiterte diese Erkenntnis durch die Vermutung, dass diese sogenannte Flucht nicht, wie die anderen Kosmologen zunächst dachten, eine Bewegung der Objekte im Raum, sondern eine Ausdehnung des Raums selbst sein musste. Als die Wissenschaftler erst einmal begriffen hatten, dass das Universum expandierte, realisierten sie sofort, dass es in der Vergangenheit kleiner gewesen sein müsste. Zu einem Zeitpunkt in der Vergangenheit muss das gesamte Universum ein einzelner Punkt gewesen sein. Dieser Punkt, später der Urknall genannt, war der Beginn des Universums, so wie es heute bekannt ist.

Urknall: Der Urknall oder Anfang des Universums, bescheibt die Explosion eines einzigsten Uratoms, durch das die Urenergie entstand, aus der sich dann die Materie bildete. Dieses Ereignis fand vermutlich vor 13,7 ± 0,2 Milliarden Jahren statt. Der Urknall ist nicht nur der Beginn der Existenz von Materie, sondern auch der Anfang von Raum und Zeit. Auf die Urknall-Theorie kam man dadurch, dass man die Expansion des Universums zurückrechnete, und logischerweise auf einen einzigen Punkt kam. Das expandierende Universum ist sowohl in der Zeit, als auch im Raum begrenzt. Der Grund dafür, warum das Universum nicht in sich zusammenfiel, so wie Newtons und Einsteins Gleichungen es gesagt haben, ist dass es von dem Moment seiner Entstehung an expandierte. Die Gleichungen des expandierenden Universums nennen drei Lösungen, wobei jede ein anderes mögliches Schicksal für das Universum als ganzes vorhersagt: Das offene, flache und das geschlossene Universum. Wäre das Universum offen, würde es auf ewig expandieren. Wenn das Universum flach wäre, würde es zwar für immer expandieren, jedoch würde die Expansionsrate nach einem unendlichen Betrag von Zeit, auf Null absinken. Falls das Universum geschlossen wäre, würde es letztendlich aufhören zu expandieren und wieder in sich zusammenfallen, was wahrscheinlich zu einem neuen Urknall führen würde. In allen drei Fällen verlangsamt sich die Expansion, und die Kraft die dafür verantwortlich ist, ist die Gravitation.

Interstellare Materie: Als interstellare Materie (ISM) bezeichnet man man Gas und Staub, welche sich zwischen den Sternen innerhalb einer Galaxie befindet. Der Ursprung der interstellaren Materie liegt im Urknall, Sternwinden und Supernovaexplosionen. Interstellare Materie besteht durchschnittlich aus etwa 90% Wasserstoff, 10% Helium und Spuren schwererer Elemente, wobei 99% der Materie als Gas vorliegt und der Staubanteil etwa ein Prozent beträgt. Dichte und Temperatur der interstellaren Materie sind sehr ungleichmäßig verteilt. Die Milchstraße enthält ca. 10¹⁰ Sonnenmassen an interstellarer Materie, das ist etwa 10% ihrer Gesamtmasse. Das auffallendste Erscheinungsbild interstellarer Materie sind so genannte Nebel. Wenn Interstellare Materie durch die Gravitation kollabiert, entstehen daraus neue Sterne, die mit Sternwinden und Supernovae auch wieder Materie in den interstellaren Raum abgeben.

Exoplaneten: Exoplaneten (auch extrasolare Planeten) sind Planeten außerhalb des Sonnensystems. Sie gehören anderen Planetensystemen an. Sie liefern wichtige Erkenntnisse für die Suche nach potenziell bewohnbaren, erdähnlichen Welten. Die ersten Planeten überhaupt, die außerhalb des Sonnensystems bestätigt wurden, umkreisen den Pulsar Lich. 1992 wurden drei Planeten mit Massen von 0,02, 4,3 und 3,9 Erdmassen und Umlaufzeiten von 25,262, 66,5419 und 98,2114 Tagen nachgewiesen. Auf diesen Planeten ist aber Leben, wie man es von der Erde kennt, praktisch ausgeschlossen. Exoplaneten waren lange Zeit nicht nachweisbar, da sie mit Teleskopen, weil sie sehr lichtschwach sind und von dem um ein Vielfaches helleren Stern, um den sie kreisen, überstrahlt werden nicht direkt zu beobachten sind. Im Jahr 2005, gelang schlieslich der erste fotografische Nachweis eines Exoplaneten. Alle bisher gefundenen Exoplaneten sind deutlich größer als die Erde und die aller meisten sind keine Gesteinsplaneten, sondern Gasriesen. Proxima Centauri b (kurz auch Proxima b) ist der nach aktuellem Forschungsstand erdnächste erwiesene Exoplanet. Er umkreist den etwa 4,2 Lichtjahre von der Erde entfernten Stern Proxima Centauri innerhalb dessen habitabler Zone und wurde im August 2016 mit der Radialgeschwindigkeitsmethode nachgewiesen. Obwohl er sich in der habitablen Zone befindet, ist es unklar, ob der Planet tatsächlich bewohnbar ist.

Asteroidengürtel: Der Asteroiden- oder Hauptgürtel ist jener Bereich des Sonnensystems zwischen den Bahnen von Mars und Jupiter, in dem der Großteil (90%) der Asteroiden oder Kleinplaneten um die Sonne wandert. Er wird heute mit etwa 2.0 bis 3.4 AE (Astronomische Einheiten) angegeben. Während man früher annahm, dass der Astroidengürtel durch das Zerbrechen eines Planeten entstanden sein könnte, geht man heute davon aus, dass die Schwerkrafteinwirkung des Jupiters ein Zusammenschließen der Astroiden zu einem Planeten verhindert hat.

Asteroiden: Als Asteroiden bezeichnet man kleine planetenähnliche Objekte, die sich in Keplerschen Umlaufbahnen um die Sonne bewegen. Bislang sind etwa 220.000 Asteroiden in unserem Sonnensystem bekannt, wobei die tatsächliche Anzahl wohl in die Millionen gehen dürfte. Nur die wenigsten haben allerdings mehr als 100 km Durchmesser. Etwa 90% der bekannten Asteroiden bewegen sich innerhalb des so genannten Asteroidengürtels um die Sonne, einem breiten Gebiet zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter. Viele Asteroiden bestehen aus unregelmäßig geformten, dunklen, kohlenstoffreichen Körpern. Andere jedoch auch aus Felsgestein oder Eisen-, Nickelbrocken. Untergruppen der Asteroiden sind die Trojaner und die Transneptunischen Objekte. Trojaner sind zwei Gruppen von Asteroiden, welche die Sonne auf der gleichen Bahn wie der Jupiter umkreisen, ihm jedoch auf den Librations- oder Lagrange-Punkten mit einem mittleren Abstand von 60° auf dem Lagrange-Punkt L4 vorauseilen beziehungsweise auf Lagrange-Punkt L5 nachfolgen. Letztere sind die Gleichgewichtspunkte des sogenannten eingeschränkten Dreikörperproblems. Dabei handelt es sich im Allgemeinen um 5 ausgezeichnete Punkte in einem System zweier Himmelskörper, an denen sich leichtere Körper, wie z.B. Satelliten, nahezu ohne eigenen Antrieb aufhalten können. Transneptunische Objekte sind Astronomische Objekte die sich außerhalb der Neptun-Umlaufbahn um die Sonne bewegen. Die meisten Transneptunischen Objekte befinden sich im Kuipergürtel. Sie werden als eine spezielle Gruppe der Asteroiden angesehen, haben jedoch einen kometenähnlichen Aufbau und im Gegensatz zu den Asteroiden im Hauptgürtel eine sonnenferne und oft sehr langgestreckte Umlaufbahn sowie eine sehr dunkle, kohlenartige Farbe.

Kometen: Kometen sind kleine Himmelskörper, die sich auf einer stark elliptischen Bahn um die Sonne bewegen. Immer wenn sie sich der Sonne nähern schmilzt ihre Oberfläche und es entsteht das sogenannte Koma, eine Art Gaswolke aus verdampftem Eis und Dreck. Durch den Sonnenwind wird ein Teil des Komas von der Sonne weggetrieben wodurch der Komet seinen charakteristischen Schweif bekommt, der eine sichtbare Länge von 10 bis 100 Millionen Kilometern erreichen kann. Das Koma hat einen Durchmesser von 10.000 bis 100.000 Kilometern, der Kern selbst jedoch nur einen Durchmesser von wenigen Kilometern. Es wird unterschieden zwischen lang- und kurzperiodischen Kometen. Die meisten langperiodischen Kometen kommen vermutlich aus der Oortschen Wolke.

Meteoroide: Meteoroide sind kleinere Objekte des Sonnensystems, die die Erdbahn kreuzen. Ihre Größe reicht von Bruchteilen eines Millimeters (Mikrometeoroide) bis zu etlichen Metern. Damit sind sie kleiner als Asteroide. Meteoroide sind von unterschiedlicher Herkunft. Sie können durch die Gravitation der Planeten aus dem Asteroidengürtel herausgeschleudert worden sein, aber auch Teile von Kometen sein, die diese auf ihrer Bahn verlieren. Treten Meteoroide in die Atmosphäre ein, so erzeugen sie durch die Reibung mit der Luft eine Leuchterscheinung, Meteor oder Sternschnuppe genannt. Ein hierbei übrigbleibender Rest, der die Erdoberfläche erreicht, wird Meteorit genannt.

Erdähnlicher Himmelskörper: So werden in der Sternen- und PlanetenforschungHimmelskörper bezeichnet, die eine feste Oberfläche aufweisen, durch die eigene Schwerkraft annähernd zu einer Kugel geformt sind und meist im Wesentlichen aus Gestein bestehen (oft mit einem metallischen Kern). Mögliche zusätzliche Kriterien sind das Vorhandensein von Wasser und eine nennenswerte, möglicherweise lebensfreundliche Atmosphäre. Erdähnliche Himmelskörper bestehen vollständig oder fast vollständig aus nicht-gasförmigen Bestandteilen und haben zumeist einen Schalenaufbau: Im Zentrum befindet sich ein Eisenkern, darüber eine dicke Schicht, der sogenannte Mantel, aus Silikaten und Oxiden, und zuoberst eine dünne Kruste, die ebenfalls aus Silikaten und Oxiden besteht, aber mit Elementen angereichert ist, die nicht in das Mantelgestein eingebaut werden können und mit der Zeit „ausgeschwitzt“ werden (zum Beispiel Kalium, seltene Erden, Uran). In einigen Fällen schließt sich über der Kruste eine Atmosphäre an. Bei der Erde liegt noch die Hydrosphäre (Ozeane, Seen, …) dazwischen. Historisch gehörten nur die vier Planeten des inneren Sonnensystems zu den erdähnlichen Planeten. Mittlerweile zählen neben Pluto und der ähnlich aufgebaute Erdmond, auch die Jupitermonde Io und Europa sowie die größeren Eismonde wie Ganymed, Kallisto, Titan und Triton zu den erdähnlichen Himmelskörpern. Auch der Zwergplanet Ceres und die großen, differenzierten Asteroiden Vesta und Pallas können in die Gruppe der erdähnlichen Planeten eingereiht werden, da sie ihre eigene Größe ebenfalls in weitgehende Kugelform zwingt. Die NASA hat den bisher erdähnlichsten Planeten im All entdeckt: Kepler-452b. Der 6 Milliarden alte Exoplanet befindet sich etwa 1400 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Schwan. Für eine Umrundung braucht der Planet 385 Tage. Seine Sonne, genannt „Kepler-452“, ist etwas heller und größer als unsere Sonne. Sie sorgt dafür, dass die Temperaturen auf dem Planeten Kepler-452b flüssiges Wasser zulassen – eine Grundvoraussetzung für Leben! Entdeckt wurde das Sonnensystem vom Weltraumteleskop Kepler, das seit 2009 im Weltall nach fernen Planeten sucht.

Siehe auch schwarze Löcher , dunkle Materie , dunkle Energie , Paralleluniversen