Cosmic Latte

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Dieses Mal widmen sich Eva und Elka den spektakulärsten Objekten im Universum und tauchen in die faszinierende Welt der kosmischen Nebel ein: Riesige Wolken aus Gas und Staub, in denen Sterne entstehen und sterben. Sie erklären die unterschiedlichen Arten von Nebeln, sprechen über berühmte Objekte wie den Orionnebel, die Säulen der Schöpfung oder den Katzenaugennebel und zeigen, welche Physik hinter den spektakulären Bildern steckt. Außerdem geht es um Sternenexplosionen, Dunkelwolken und die Frage, warum viele Aufnahmen aus dem All in Wirklichkeit eingefärbte Falschfarbenbilder sind.

Kosmischer Nebel

In dieser Folge von „Cosmic Latte” sprechen Eva und Elka über kosmische Nebel. Das sind gigantische Wolken aus Gas und Staub, in denen Sterne entstehen, sterben und die chemischen Bausteine des Lebens durchs All verteilt werden.

Diese Regionen im interstellaren Raum weisen eine überraschende Vielfalt mit unterschiedlichen Eigenschaften auf. Wir sprechen über Emissionsnebel, Reflexionsnebel, planetarische Nebel, Supernovaüberreste und Dunkelwolken.

Wir erklären, warum manche Nebel selbst leuchten, andere wiederum nur Licht reflektieren oder sogar ganze Sternfelder verdunkeln. Dabei geht es auch um physikalische Prozesse wie Ionisation und Rekombinationsleuchten, die nicht nur in fernen Sternentstehungsregionen, sondern auch bei Sternschnuppen oder in der oberen Erdatmosphäre eine Rolle spielen. Besonders eindrucksvoll sind Emissionsnebel, in denen neue Sterne geboren werden, wie der berühmte Orionnebel oder die ikonischen „Säulen der Schöpfung“.

Von Sternenkindergarten und Sternenfriedhöfen

Nebel markieren jedoch nicht nur den Anfang, sondern auch das Ende des Lebens von Sternen. Planetarische Nebel entstehen, wenn sonnenähnliche Sterne ihre äußeren Hüllen ins All schleudern und dabei Elemente wie Kohlenstoff oder Stickstoff freisetzen. Aus diesen Stoffen können später neue Sterne, Planeten und letztlich auch Leben entstehen. Größere Sterne beenden ihr Leben explosiver, in einer Supernova. Die dabei ausgestossenen Gasmassen bilden "Supernovaüberreste" wie den "Krebsnebel". Die gewaltigen Explosionen, deren Schockwellen das interstellare Medium aufheizen sind noch Jahrtausende später sichtbar.

Und dann gibt es auch noch "Dunkelwolken" wie der Pferdekopfnebel oder Barnard 68, die das Licht dahinterliegender Sterne absorbieren. Wir diskutieren auch die spekulative Idee, ob das Sonnensystem in der Vergangenheit durch besonders dichte interstellare Wolken gezogen sein könnte und welche Auswirkungen das möglicherweise auf das Klima oder Massenaussterben gehabt hätte.

Zum Abschluss gibt es noch ein ganz persönliches und rein subjektives Ranking der spektakulärsten Nebelbilder von Elka: Sie erzählt uns von den „Säulen der Schöpfung“, dem „Auge Gottes“ und natürlich über ihren Favorit: den „Katzenaugennebel“.

Hier findet ihr das Quiz “Guess the Nebula"

LIVE Buchpräsentation

Buchpräsentation "Auf einen Kaffee im All" im Thalia Mariahilferstr. in Wien am 21.05. um 19 Uhr, der Eintritt kostenlos. Weitere Infos findet ihr hier

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Live-Termin: 21.05.2026 Auf einen Kaffee im All: Buchpräsentation, Thalia Wien Mariahilferstraße

Nach der erfolgreichen Artemis II Mission ist der Mond wieder in greifbare Nähe gerückt. Grund genug für Eva und Jana in dieser Folge einen Blick zurückzuwerfen, von der frühen Science-Fiction des Johannes Kepler zu Jules Vernes visionärer Mondreise mit einer gigantischen Kanone, die große Raketenpioniere wie Ziolkowski, Goddard und Oberth inspirierten. Es geht aber auch um den Zweiten Weltkrieg und Wernher von Braun der mit der V2-Rakete den Weg zum Mond ebnen sollte. Eine Geschichte über Visionen, Wissenschaft, Technik und den dunklen historischen Weg, der zur Raumfahrt führt.

Der Traum vom Mond in der Science-Fiction

Einer der frühesten Texte, der eine Mondreise nicht nur als Märchen, sondern als halb wissenschaftliches Gedankenexperiment entwirft, ist Johannes Keplers "Somnium", das 1634 postum veröffentlicht wurde. Diese kurze lateinische Erzählung gilt heute als eine der ersten Science-Fiction-Geschichten überhaupt. Kepler beschreibt darin nicht nur eine mögliche Reise zum Mond, sondern denkt auch über dessen Geografie, Klima und Lebensbedingungen nach. Bemerkenswert ist vor allem, dass er bereits erkennt: Eine Reise zum Mond ist ein physikalisches Problem.

Jules Verne: Erste Raketenideen

Im 19. Jahrhundert greift Jules Verne diesen Traum wieder auf und macht daraus ein technisches Abenteuer. In "Von der Erde zum Mond" und "Reise um den Mond" wird die Mondreise erstmals als ingenieurtechnisches Projekt geschildert. Verne beschreibt Startort, Flugbahn, technische Details und die Kapsel erstaunlich präzise. Zwar ist sein Szenario mit einer gigantischen Kanone physikalisch unmöglich, doch seine Vision war enorm einflussreich. Nicht zufällig hieß das Kommandomodul von Apollo 11 "Columbia" – eine Anspielung auf Vernes "Columbiad". Auch andere Parallelen sind auffällig: der Start in Florida, die Rückkehr im Pazifik und der Gedanke, dass technischer Fortschritt den Weg zum Mond möglich machen könnte.

Solche Geschichten beflügelten nicht nur Leserinnen und Leser, sondern auch künftige Wissenschaftler und Ingenieure. H. G. Wells trug mit "The First Men in the Moon" 1901 ebenfalls dazu bei, die Mondreise in der modernen Science-Fiction zu verankern. Doch die entscheidende Frage blieb: Wie kommen wir tatsächlich dorthin? Die physikalische Grundlage dafür hatte bereits Isaac Newton im 17. Jahrhundert gelegt. Mit seinen Bewegungs- und Gravitationsgesetzen wurde klar, dass eine Reise zum Mond keine Zauberei ist, sondern ein Problem von Geschwindigkeit, Masse und Gravitation. Damit war die Mondreise prinzipiell berechenbar geworden.

Raketenpioniere

Der eigentliche Übergang von der Fantasie zur realen Raumfahrt beginnt mit Konstantin Ziolkowski. Der russische Lehrer und Visionär gilt als Vater der theoretischen Astronautik. 1903 veröffentlichte er seine bahnbrechende Schrift über die Erforschung des Weltraums mit Raketen. Darin formulierte er die entscheidende Erkenntnis, dass Raketen auch im luftleeren Raum funktionieren, weil sie ihren Schub durch Rückstoß erzeugen und nicht durch das „Abstoßen gegen die Luft“. Ziolkowski entwickelte außerdem die nach ihm benannte Raketengleichung, dachte über mehrstufige Raketen nach und entwarf Visionen von Raumstationen, Raumanzügen und interplanetaren Reisen. Für ihn war der Mond nicht mehr nur ein Sehnsuchtsort, sondern ein reales technisches Ziel. Berühmt ist sein Satz: „Die Erde ist die Wiege der Menschheit, aber der Mensch kann nicht ewig in der Wiege bleiben.“

Auf Ziolkowskis theoretische Vorarbeit folgten die praktischen Pioniere. In den USA entwickelte Robert H. Goddard die ersten Flüssigkeitsraketen und startete 1926 erfolgreich eine solche Rakete. Flüssigtreibstoff war für die spätere Raumfahrt entscheidend, weil er kontrollierbarer und leistungsfähiger war als frühere Feststoffantriebe. Auch Goddard dachte bereits über große Höhen und sogar Mondflüge nach. Im deutschsprachigen Raum veröffentlichte Hermann Oberth 1923 sein Schlüsselwerk "Die Rakete zu den Planetenräumen". Darin beschrieb er Flüssigkeitsraketen, Stufenkonzepte und Raumfahrt als reale Ingenieurwissenschaft. Oberth inspirierte eine ganze Generation von Raumfahrtbegeisterten – darunter auch den jungen Wernher von Braun. Spannend ist auch seine Verbindung zum Kino: Als Berater für Fritz Langs Film Frau im Mond brachte er wissenschaftliche Konzepte wie Countdown, Flugbahnen und sogar Ansichten der Erde aus dem All in die Popkultur.

Wernher von Braun und der Krieg

Doch die Raketenentwicklung bekam bald eine düstere Wendung. In den 1930er- und 1940er-Jahren wurde sie in Deutschland massiv militarisiert. Das hatte auch mit dem historischen Kontext zu tun: Der Versailler Vertrag verbot Deutschland nach dem Ersten Weltkrieg viele Formen der Aufrüstung, regelte aber Raketentechnologie noch nicht. Unter dem NS-Regime wurde die Raketenforschung dann zur Geheimsache. In Peenemünde entstand ein großes militärisches Forschungszentrum, in dem unter Wernher von Braun die A4-Rakete entwickelt wurde – besser bekannt als V2, die „Vergeltungswaffe 2“. Technisch war sie ein Meilenstein: eine große Flüssigkeitsrakete mit Turbopumpen, Steuerungssystemen und einer Reichweite von etwa 320 Kilometern. 1942 erreichte sie in einem Testflug den Rand des Weltraums. Gleichzeitig ist ihre Geschichte moralisch zutiefst belastet: Die V2 war eine Terrorwaffe, und ihre Produktion im KZ-System Mittelbau-Dora forderte zehntausende Todesopfer. Die Technik, die später den Weg zum Mond ebnete, entstand also teilweise aus einer dunklen, gewaltsamen Geschichte.

Nach dem Zweiten Weltkrieg übernahmen sowohl die USA als auch die Sowjetunion deutsches Raketenwissen, Material und Personal. In den USA wurden im Rahmen der Operation Paperclip Wernher von Braun und weitere Spezialisten ins Land gebracht; dort bildeten erbeutete V2-Raketen einen wichtigen Ausgangspunkt für das amerikanische Raumfahrtprogramm. In der Sowjetunion entwickelte Sergej Koroljow parallel eine eigene Raketenlinie, gestützt auf erbeutete Technik und eigenständige Ingenieurskunst. Damit begann der Kalte Krieg auch im All – und der Mond wurde vom Traumziel endgültig zum strategischen, wissenschaftlichen und symbolischen Ziel der Menschheit.

Weiterführende Informationen

Die Dokumentarion "The Last Man on the Moon" findet man an verschienenen Stellen im Internet.

Mehr zur Geschichte des Countdowns gibt es hier.

Mehr über das "Projekt Natter" gibt es hier.

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Live-Termin: 28.04.2026 Auf einen Kaffee im All: Buchpräsentation inkl. Planetariumsshow, Wien Planetarium

In dieser Folge von Cosmic Latte geht es um Antimaterie und eine der faszinierendsten Fragen der Astronomie: Könnte es Antisterne geben? Eva und Elka gehen der Frage nach, was Antimaterie überhaupt ist, wie sie entdeckt wurde und wo sie im Universum entsteht. Außerdem geht es um die große kosmologische Frage, warum unser Universum heute fast nur aus gewöhnlicher Materie besteht bzw. überhaupt existiert.

Ein LKW voll Antimaterie

Ende März ist ein LWK des Europäischen Kernforschungszentrum CERN mit Antimaterie durch die Gegend gefahren. Es war das erste Mal, dass man Antimaterie auf diese Weise transportiert hat. Und Antimaterie klingt zwar nach Science-Fiction, ist aber ganz reale Physik. Für viele Teilchen der gewöhnlichen Materie gibt es ein entsprechendes Antiteilchen: mit derselben Masse, demselben Spin und im Wesentlichen denselben physikalischen Eigenschaften – aber mit entgegengesetzter elektrischer Ladung und umgekehrten Quantenzahlen. Zum Elektron gehört das Positron, zum Proton das Antiproton, zum Neutron das Antineutron. Entsprechend kann es auch Anti-Atome geben, zum Beispiel Antiwasserstoff, bestehend aus einem Antiproton und einem Positron.

Das Besondere an Antimaterie zeigt sich, wenn sie auf normale Materie trifft: Dann kann es zur Annihilation kommen, also zur gegenseitigen Vernichtung. Dabei wird die in den Teilchen gespeicherte Masse gemäß Einsteins Formel E=mc² in Energie umgewandelt – meist in Form von Gammastrahlung oder anderen Teilchen. Die Idee, dass es eine Art Gegenmaterie geben könnte, reicht weit zurück. Schon 1898 spekulierte Arthur Schuster über Sternensysteme aus einer Art spiegelbildlicher Materie. Das war noch keine moderne Teilchenphysik, aber ein bemerkenswerter gedanklicher Vorgriff. Den entscheidenden theoretischen Schritt machte Paul Dirac 1928 mit seiner relativistischen Gleichung für Elektronen. Sie ließ sich so deuten, dass zu jedem Teilchen ein entsprechendes Antiteilchen existieren müsste. Nur wenige Jahre später, 1932, entdeckte Carl D. Anderson tatsächlich das Positron – und zwar nicht in einem Labor, sondern in der kosmischen Strahlung. 1955 wurde dann am Berkeley Bevatron auch das Antiproton experimentell nachgewiesen. Damit war klar: Antimaterie ist nicht nur eine mathematische Kuriosität, sondern Teil der physikalischen Realität.

Heute kann Antimaterie auch künstlich erzeugt werden, etwa am CERN. Dort werden Antiprotonen hergestellt, abgebremst und in speziellen Experimenten untersucht. Forschende konnten sogar Antiwasserstoff erzeugen und kurzzeitig in magnetischen Fallen speichern. Solche Experimente sind technisch extrem anspruchsvoll, denn Antimaterie lässt sich nicht einfach in eine normale Box füllen: Sobald sie mit gewöhnlicher Materie in Berührung kommt, annihiliert sie. Trotzdem ist es gelungen, immer präzisere Messungen an Antimaterie vorzunehmen, etwa zur Frage, ob sie genauso auf Gravitation reagiert wie normale Materie.

Antimaterie, Astronomie und Antisterne

Antimaterie ist aber nicht nur Laborphysik. Sie entsteht auch ganz natürlich im Kosmos: bei energiereichen Prozessen in der kosmischen Strahlung, bei radioaktiven Zerfällen, in Supernovae, in der Umgebung von Pulsaren, Schwarzen Löchern oder aktiven Galaxien. Positronen und Antiprotonen werden im Universum also tatsächlich produziert. Das bedeutet allerdings noch nicht, dass es dort auch größere Objekte aus Antimaterie gibt.

Genau hier beginnt die spannende astronomische Frage: Könnte es Antisterne geben? Ein Antistern wäre ein Stern aus Antimaterie, also etwa aus Anti-Wasserstoff und Anti-Helium. Überraschenderweise würde er im Inneren vermutlich fast genauso funktionieren wie ein normaler Stern. Gravitation, Druckgleichgewicht und Kernfusion würden sich sehr ähnlich verhalten, und auch das ausgesandte Licht wäre wohl kaum von dem eines gewöhnlichen Sterns zu unterscheiden. Ein Antistern würde also nicht geheimnisvoll dunkel oder exotisch aussehen – sondern wahrscheinlich ganz normal.

Gerade deshalb ist die Suche nach Antisternen so schwierig. Man würde sie nicht einfach an ihrer Farbe oder ihrem Spektrum erkennen. Stattdessen müsste man nach den Folgen suchen, die entstehen, wenn normale Materie aus dem interstellaren Raum auf ihre Oberfläche trifft. Dort müsste es zu Annihilationen kommen, die charakteristische Gammastrahlung erzeugen. Genau solche Signale versuchen Astronominnen und Astronomen mit Instrumenten wie dem Fermi-Weltraumteleskop aufzuspüren.

Eine Analyse von Fermi-Daten identifizierte 2021 vierzehn mögliche Kandidaten für Antisterne unter unassoziierten Gammaquellen. Das ist spannend, aber noch kein Beweis. Solche Quellen könnten auch andere astrophysikalische Objekte sein, zum Beispiel Pulsare oder aktive Galaxienkerne. Die Studie zeigt vor allem, dass Antisterne – falls es sie gibt – sehr selten sein müssen. Große Regionen aus Antimaterie, ganze Antigalaxien oder ausgedehnte Antimaterie-Wolken gelten in unserer kosmischen Umgebung als sehr unwahrscheinlich. Denn an den Grenzflächen zwischen Materie und Antimaterie müsste man starke Annihilationssignaturen sehen, und genau diese beobachtet man nicht in dem Ausmaß, das dafür nötig wäre.

Damit bleibt die Lage faszinierend offen: Antimaterie existiert, sie entsteht im Universum, und theoretisch sind auch Antisterne nicht ausgeschlossen. Doch bisher gibt es keinen eindeutigen Nachweis. Das hängt eng mit einem der größten Rätsel der Kosmologie zusammen: Warum besteht das Universum heute fast nur aus Materie, obwohl nach dem Urknall offenbar fast gleich viel Materie wie Antimaterie entstanden sein müsste? Offenbar gab es ein winziges Ungleichgewicht, das dazu führte, dass ein kleiner Rest Materie übrig blieb – und aus genau diesem Rest bestehen Sterne, Planeten und letztlich auch wir selbst.

Die Suche nach Antisternen ist deshalb mehr als nur die Jagd nach einer exotischen Sternklasse. Sie berührt eine der grundlegendsten Fragen der Physik: Warum gibt es im Universum überhaupt etwas – und nicht einfach nur Strahlung nach der vollständigen Vernichtung von Materie und Antimaterie?

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Die Erde ist ein Gesteinsplanet. Aber was genau ist eigentlich ein Gesteinsplanet? Fest, felsig, irgendwie erdähnlich – das klingt zunächst einfach. Doch sobald wir den Blick über unser Sonnensystem hinaus richten, wird es schnell kompliziert. Denn dann zeigt sich: Die Erde ist unter den Gesteinsplaneten offenbar ein echter Sonderfall.

Die Exoplanetenforschung hat in den letzten Jahren eine große Überraschung zutage gefördert: Supererden und Mini-Neptune scheinen in der Milchstraße äußerst häufig zu sein, fehlen in unserem Sonnensystem jedoch komplett. Warum ist das so? Und was verraten uns diese fremden Welten über die Entstehung und Entwicklung von Planeten?

In dieser Episode begeben sich Eva und Jana auf eine Reise von Merkur, Venus und der Erde bis hin zu exotischen Exoplaneten wie GJ 1214b oder Kepler-11f. Gemeinsam gehen sie der Frage nach, ob die Grenzen zwischen Felswelt, Ozeanplanet und Mini-Gasplanet vielleicht viel fließender sind, als wir lange gedacht haben.

Steinwelten im All: Was Gesteinsplaneten wirklich ausmacht

Wenn wir von Gesteinsplaneten sprechen, denken viele sofort an die Erde. Doch der Begriff ist weniger eindeutig, als er klingt. In der Astronomie begegnen uns gleich mehrere Bezeichnungen: terrestrisch, tellurisch oder auch erdähnlich – wobei „erdähnlich“ streng genommen eher eine Interpretationsfrage ist. Klarer ist: Ein Gesteinsplanet besitzt eine feste Oberfläche, ist durch seine Gravitation annähernd kugelförmig und besteht im Wesentlichen aus Gestein und Metall.

Im Inneren sind diese Welten keineswegs homogen. Typisch ist ein Schalenaufbau: Im Zentrum sitzt ein metallischer Kern, meist reich an Eisen. Darum liegt ein Mantel aus Silikaten und Oxiden, darüber eine relativ dünne Kruste, in der sich jene Elemente anreichern, die nicht in den Mantel eingebaut werden können – auf der Erde zum Beispiel seltene Erden, Kalium oder Uran. Dieser Aufbau bestimmt nicht nur die Geologie, sondern auch, ob ein Planet noch vulkanisch aktiv ist, ein Magnetfeld besitzt oder tektonische Prozesse antreibt.

Warum die Dichte so wichtig ist

Ein zentraler Unterschied zwischen Gesteinsplaneten und Gasriesen ist ihre mittlere Dichte. Während Saturn mit nur rund 0,69 g/cm³ theoretisch auf Wasser schwimmen würde, liegen Erde, Venus und Merkur bei über 5 g/cm³. Diese Zahlen verraten, ob ein Planet überwiegend aus Wasserstoff und Helium besteht – oder aus schweren Materialien wie Silikaten, Eisen und Magnesium.

Die Entstehung von Gesteinsplaneten

Gesteinsplaneten und Gasriesen entstehen beide in protoplanetaren Scheiben um junge Sterne. Doch ihre Entwicklungswege trennen sich früh. Gasriesen bilden sich meist weit draußen, jenseits der Schneelinie – also dort, wo es kalt genug ist, dass Wasser, Ammoniak und Methan gefrieren. Dort steht deutlich mehr Material zur Verfügung. Ihre Kerne wachsen schnell genug, um in nur 3 bis 5 Millionen Jahren große Mengen Wasserstoff und Helium einzufangen, bevor die Gasreste der Scheibe verschwinden.

Atmosphären: zu wenig, zu viel – oder genau richtig?

Ob ein Gesteinsplanet seine Atmosphäre behalten kann, hängt von mehreren Faktoren ab: von seiner Schwerkraft, von einem Magnetfeld, das vor dem Sonnenwind schützt, und von vulkanischer Aktivität, die verlorene Gase wieder nachliefert.

So ist der Merkur zu klein, um Gase langfristig festzuhalten, und besitzt kein starkes schützendes Magnetfeld. Der Mars verlor sein globales Magnetfeld vor rund 4 Milliarden Jahren. Seitdem wird seine Atmosphäre Stück für Stück vom Sonnenwind abgetragen. Die Venus zeigt uns das Gegenextrem: Dort führte eine extrem dichte CO₂-Atmosphäre zu einem außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt. Die Erde liegt offenbar in einem bemerkenswert schmalen Bereich, in dem Atmosphäre, Geologie und Sternumgebung zusammenpassen.

Die Erde als Sonderfall: Plattentektonik als planetarer Thermostat

Ein besonders spannender Punkt: Die Erde ist bislang der einzige bekannte Planet mit aktiver Plattentektonik. Dafür braucht es offenbar eine sehr spezielle Kombination aus Mantelviskosität, innerer Wärme – unter anderem aus radioaktiven Zerfallsprozessen – und vermutlich auch Wasser, das als eine Art Schmiermittel wirkt.

Warum Gesteinsplaneten so wenige Monde haben

Auch bei den Monden zeigt sich der Unterschied zu den Gasriesen deutlich: Merkur und Venus haben gar keine Monde, die Erde einen (dafür aber einen relativ großen) und Mars besitzt zwei kleine Monde.

Supererden, Mini-Neptune und der Planetentyp, der uns fehlt

Die Exoplanetenforschung hat gezeigt: Unser Sonnensystem ist nicht unbedingt typisch. Ein Planetentyp, der in der Milchstraße offenbar sehr häufig vorkommt, fehlt bei uns komplett: Supererden und Mini-Neptune.

Supererden sind Planeten mit ungefähr 1 bis 10 Erdmassen bzw. etwa 1 bis 2 Erdradien. Der Name bedeutet nicht automatisch, dass sie wirklich felsig sind.

Mini-Neptune liegen oft bei 2 bis 4 Erdradien und haben deutlich geringere Dichten. Sie besitzen wahrscheinlich eine dicke Hülle aus Wasserstoff/Helium, Wasser, Ammoniak oder anderen flüchtigen Stoffen.

Die Radius-Lücke: der Fulton Gap

2017 entdeckten Benjamin Fulton und Kolleg:innen in den Kepler-Daten, dass es auffallend wenige Planeten mit einem Radius zwischen ungefähr 1,5 und 2,0 Erdradien. Unterhalb dieser Grenze finden wir eher felsige Supererden, oberhalb eher Mini-Neptune mit Gashülle. Diese Lücke wird als Radius-Lücke oder Fulton Gap bezeichnet.

Warum Mini-Neptune keine Gasriesen werden

Viele Mini-Neptune entstehen wahrscheinlich jenseits der Eislinie, wo ihre Kerne auf 3 bis 10 Erdmassen anwachsen können. Sie sammeln zwar Gas ein, aber oft nicht genug, um die entscheidende Schwelle zur Runaway-Akkretion zu überschreiten.

Beispiele aus der Exoplanetenforschung:

Einige bekannte Beispiele zeigen, wie seltsam diese Welten sein können:

Mehr als nur “kleine feste Planeten”

Gesteinsplaneten sind weit mehr als nur „kleine feste Planeten“. Sie unterscheiden sich in Dichte, innerem Aufbau, Atmosphäre, Geologie und Entstehungsgeschichte, in der die Erde in vielerlei Hinsicht ein Sonderfall zu sein scheint. Gleichzeitig zeigt uns die Exoplanetenforschung, dass unser Sonnensystem nicht den Standard liefert, sondern eher eine besondere Auswahl.

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Kurz nach dem internationel Frauentag reden wir über eine ganz besondere Frau aus der Astronomie. Beatrice Tinsley hat unsere Sicht auf die Galaxien revolutioniert und gezeigt, dass sie keine statischen Objekte sind. Galaxien altern und verändern sich. Dieses Wissen hat auch den Blick auf die Entwicklung des gesamten Universums verändert. Trotzdem hat es lange Zeit gebraucht, bis man die Bedeutung von Tinsleys Arbeit erkannt hat und auch heute ist diese revolutionäre Astronomin viel zu unbekannt. Also hört euch diese Epsisode an, damit sich das ändert.

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Sophie Adenot auf dem Weg ins All

Sophie Adenot, die erste Berufsastronautin der neuen ESA-Abschlussklasse von 2024, ist am 13. Februar zu einer neunmonatigen Mission zur ISS aufgebrochen. Sie ist erst die zweite Französin im All, hat am MIT studiert, eine militärische Laufbahn als Pilotin absolviert, war in Afghanistan und Libyen im Einsatz und wurde als Oberstleutnant die erste Hubschrauber-Testpilotin Frankreichs. Bei so einer Karriere kann man schon mal neidisch werden, obwohl wir beide ja eigentlich eh nicht ins All fliegen wollen. Mehr über Sophie Adenot kann man in diesem Podcast der ESA erfahren

Beatrice Tinsley, die vergessene Entdeckerin der galaktischen Evolution

Im Hauptteil erzählt Elka die Geschichte von Beatrice Tinsley, einer Astronomin, die mit ihrer Dissertation die Kosmologie revolutionierte und viel zu früh starb. Sie wird als Beatrice Muriel Hill 1941 in Chester in England geboren. Kurz darauf wandert ihre Familie nach Neuseeland aus. Sie wächst in einem akademisch geprägten Umfeld auf, ihr Vater ist Geistlicher. Schon früh fällt sie durch ihre große Begabung in Mathematik und Physik auf. Bereits mit 14 Jahren steht für sie fest, dass sie Astronomie studieren will. Außerdem ist sie musikalisch und spielt Violine. In einer Zeit, in der Physik für Frauen noch keineswegs ein typisches Studienfach ist, studiert sie an der University of Canterbury und schließt dort bereits mit 20 Jahren ihren Master ab. Dort lernt sie auch den Physiker Brian Tinsley kennen, den sie später heiratet. Gemeinsam adoptieren sie später zwei Kinder.

Als sie ihrem Mann nach Texas folgt, gerät ihre wissenschaftliche Laufbahn zunächst fast zum Stillstand. An den Universitäten dort gilt ein Anti-Nepotismus-Gesetz, das verhindert, dass Ehepartner an derselben Hochschule angestellt werden. Trotzdem schreibt sie an der University of Texas in Austin ihre heute berühmte Dissertation in nur drei Jahren, also in etwa einem Drittel der üblichen Zeit. Diese Arbeit gehört heute zu den wichtigsten Grundlagenwerken der modernen Kosmologie. Tinsley zeigt darin, dass Galaxien keine statischen, unveränderlichen Systeme sind. Bis dahin wurden Galaxien oft so behandelt, als seien sie ewig gleichbleibende Objekte. Tinsley dagegen konnte nachweisen, dass Galaxien geboren werden, sich entwickeln und altern.

Gerade in den 1960er-Jahren ist die Kosmologie ein Fach im Umbruch. Die Urknalltheorie setzt sich zunehmend durch, doch viele zentrale Fragen sind noch offen, etwa wie alt das Universum tatsächlich ist. Tinsley erkennt, dass Helligkeit und Farbe von Galaxien stark davon abhängen, welche Sterne sich gerade in ihnen befinden. Junge Sterne sind heiß, blau und sehr leuchtkräftig. Alte Sterne sind kühler und rötlicher. Wenn in einer Galaxie viele neue Sterne entstehen, erscheint sie heller und blauer. Hört die Sternentstehung auf, altert die Galaxie auch sichtbar. Wer also eine Galaxie beobachtet, sieht immer nur eine Momentaufnahme ihrer Entwicklung. Genau das war eine fundamentale Erkenntnis, denn damit wurde klar, dass Galaxien nicht einfach als kosmische Standardkerzen behandelt werden können. Will man wissen, wie weit entfernt eine Galaxie ist, muss man also auch wissen, in welchem Entwicklungszustand sie sich befindet.

Aus dieser Einsicht entwickelt Tinsley ihre bahnbrechenden Modelle der sogenannten Populationsynthese. Weil wir in fernen Galaxien einzelne Sterne meist nicht getrennt erkennen können, sehen wir nur ihr gemischtes Gesamtlicht. Tinsley hat berechnet, wie unterschiedliche Sterngenerationen gemeinsam die Farbe und Helligkeit einer Galaxie bestimmen. Damit verbindet sie die Lebenszyklen einzelner Sterne mit dem Erscheinungsbild ganzer Galaxien. So entsteht erstmals ein Werkzeug, mit dem sich aus dem beobachteten Licht auf die Geschichte einer Galaxie schließen lässt. Sie zeigt unter anderem, dass blaue Galaxien eher jung sind, während rote Galaxien viele alte, sterbende Sterne enthalten. Diese evolutionäre Sicht auf Galaxien entwickelt sie weitgehend allein und unter äußerst schwierigen Bedingungen.

Denn trotz ihres außergewöhnlichen Talents bekommt sie lange keine feste akademische Stelle. Zeitweise arbeitet sie sogar ohne Bezahlung, veröffentlicht dennoch wissenschaftliche Artikel und treibt ihre Dissertation voran. Ihre Forschung entsteht oft zwischen Kinderbetreuung, fehlender institutioneller Unterstützung und knappen Ressourcen. Schließlich trennt sie sich von ihrem Mann, womit sie zugleich die Anti-Nepotismus-Regel umgeht, die ihre Karriere zusätzlich behindert hatte.

1975 geht sie mit nur 33 Jahren an die Yale University. Bereits drei Jahre später wird sie dort Professorin und ist damit die erste Frau in der Astronomieabteilung. Sie erhält den Annie Cannon Award in Astronomy der American Astronomical Society.

Ein weiterer zentraler Punkt ihrer Arbeit betrifft die große kosmologische Frage der 1960er- und 1970er-Jahre: Ist das Universum offen oder geschlossen? Wird es sich für immer weiter ausdehnen oder irgendwann unter seiner eigenen Gravitation wieder zusammenfallen? Um das zu beantworten, muss man wissen, wie schnell sich das Universum ausdehnt und wie viel Materie es enthält. Dafür sind Beobachtungen ferner Galaxien entscheidend. Wenn sich die Helligkeit von Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit aber verändert, so wie Tinsley das gezeigt hat, beeinflusst das direkt die Messungen. Die Geometrie des Universums lässt sich also nicht korrekt bestimmen, wenn man Galaxien wie unveränderliche Glühbirnen behandelt. Tinsley zeigt, dass Modelle zur Galaxienentwicklung entscheidend sind, um zwischen einem offenen und einem geschlossenen Universum zu unterscheiden.

Darüber hinaus beschäftigt sie sich auch mit der Entstehung von Galaxien selbst. In der Frühphase des Universums existieren noch keine fertig ausgeprägten Spiral- oder Ellipsengalaxien, sondern sogenannte Protogalaxien, also junge Systeme aus Gas und den ersten Sternen, die sich noch im Aufbau befinden. Ihre Berechnungen liefern eine der ersten Annäherungen daran, wie solche Protogalaxien aussehen könnten.

Kurz nach ihrer Berufung nach Yale erkrankt Beatrice Tinsley an Hautkrebs. 1981 stirbt sie im Alter von nur 40 Jahren. Erst nach ihrem Tod erkennen viele Kolleginnen und Kollegen in vollem Ausmaß, wie weitreichend ihre Beiträge wirklich waren. In nur 14 Jahren veröffentlichte sie rund 100 wissenschaftliche Arbeiten zur Entwicklung von Galaxien. Lange werden ihre Modelle in Lehrbüchern verwendet, ohne dass ihr Name ausreichend genannt wird. So gerät sie mit der Zeit zunehmend in Vergessenheit, obwohl ihre Arbeiten die Kosmologie nachhaltig geprägt haben.

Heute gilt Beatrice Tinsley als eine der Begründerinnen der modernen Theorie der Galaxienentwicklung. 1986 richtet die American Astronomical Society den Beatrice M. Tinsley Prize ein. Außerdem werden ein Asteroid und ein Berg in Neuseeland im Keplergebirge nach ihr benannt.

Mehr über Tinsley findet ihr hier, hier und hier

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In diesem Science-Fiction Special widmen sich Eva und Peter einem zentralen Motiv der Science-Fiction: Simulationen, virtuelle Welten und künstliche Realitäten. Zusammen gehen sie der Frage nach, ob unsere Realität tatsächlich „echt“ ist, oderob wir vielleicht selbst in einer Simulation leben?

Vom Holodeck zur Matrix: Simulationen im Film

Zu Beginn müssen Eva und Peter aber nachsitzen und noch einmal kurz auf die vorige Episode (CL76 Atombomben im Film) zurückblicken und einige Korrekturen vornehmen: Der Anime “Die letzten Glühwürmchen” thematisiert keine Atombomben, sondern die Bombardierung von Kobe. Was den Film aber nicht weniger sehenswert oder dramatisch macht. Und mit “Das Reich der Sonne” wird ein weiterer filmischer Bezug zu Hiroshima und Nagasaki genannt.

Wir beginnen unsere Reise in die virtuelle Welten standesgemäß mit dem wahrscheinlich ikonischsten Simulationsort der Sci-Fi: dem Holodeck aus Star Trek.

Das Holodeck aus Star Trek ist ein klassisches Beispiel für eine Simulation, die bewusst betreten wird. Von dort aus entwickelt sich eine zentrale Unterscheidung: Es gibt künstliche Welten, von denen wir wissen, dass sie Simulationen sind und solche, in denen wir leben könnten, ohne es zu merken.

Besonders spannend wird es mit Blick auf eine auffällige Häufung von Filmen Ende der 1990er-Jahre, die sich genau mit diesem Thema beschäftigen. In dieser Phase entstehen mehrere Werke, die Realität und Simulation zunehmend verschwimmen lassen. Im Zentrum steht natürlich Matrix, der nicht nur technisch, sondern auch philosophisch ein Meilenstein war.

Dark City, 13th floor und eXistenZ: Realität oder Fantasie?

Neben digitalen Simulationen geht es auch um manipulierte Realitäten, die physisch existieren. Ein Film, der Eva beeindruckt hat, ist "Dark City": Eine Welt ohne Sonne, in der Erinnerungen verändert werden und Menschen Teil eines Experiments sind – weniger eine virtuelle Simulation als vielmehr ein außerirdisches Versuchslabor.

Eine der ersten Verfilmungen zu diesem Thema ist der zweiteilige Science-Fiction-Fernsehfilm von Rainer Werner Fassbinder aus dem Jahr 1973, "Welt am Draht".

Der Film basiert auf dem Roman Simulacron-3 von Daniel F. Galouye aus dem Jahr 1964 und gilt als visionäre Auseinandersetzung mit Virtualität, Identität und technokratischer Kontrolle, Jahrzehnte vor The Matrix.

In der Folge erwähnte Filme

Grave of the fireflies

Das Reich der Sonne

Star Trek TNG

Welt am Draht

Der Rasenmähermann

Matrix

Dark City

eXistenZ

The Thirteenth Floor

Tron

Jumanji: Welcome to the Jungle

Ready Player One

Johnny Mnemonic

Virtuosity

Total Recall

The Adjustment Bureau

Literatur: Simulacron-3 von Daniel F. Galouye (1964) auf Wikipedia

Mehr Informationen zum holografischen Universum: Sternengeschichten Folge 538

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In dieser Folge beginnen wir mit einem kurzen Blick auf erfolgreiche Neujahrsvorsätze und Handyverbote, bevor wir einen kurzen Ausflug in die Anfänge der Informatik und das Leben von Arianna Rosenbluth machen. Danach erzählt Jana von Planeten. Das klingt nicht sonderlich aufregend, aber ihr könnt euch sicher sein, dass es ausreichend spektakulär für mehr als nur eine Folge ist. Wir diskutieren Gasplaneten und Eisriesen; sechseckige Stürme auf dem Saturn, Supererden und Mini-Neptune und Wolken aus Wasser und Eisen.

Arianna Rosenbluth und die Frauen in der Informatik

Hörer Martin hat sich über die Folge über Numerik gefreut und uns auf Arianna W. Rosenbluth hingewiesen. Sie hat 1953 an den Grundlagen für den Metropolis-Hasting-Algorithmus gelegt, fast an den Olympischen Spielen teilgenommen und in Los Alamos gearbeitet.

Gasplaneten

Jana erzählt in dieser Folge etwas über Planeten. Das klingt simpel, ist aber alles andere als das. Auf den ersten Blick scheint die Einteilung einfach, zumindest im Sonnensystem: Gesteinsplaneten sind innen, Gasriesen außen. Doch sobald wir auch die Exoplaneten mitdenken, bricht diese Klassifikation schnell auseinander. Bis heute gibt es kein einziges, universelles Klassifikationsschema für Planeten, so wie wir es bei Sternen gewohnt sind. Stattdessen hantieren wir je nach Fragestellung mit Masse, Radius, Dichte, Temperatur, Atmosphäre, Bahnparametern, Albedo und vielem mehr. Das ist nicht nur akademische Haarspalterei, sondern bestimmt ganz konkret, was ein Planet physikalisch ist und wie er aussieht.

Ein Schlüsselmoment der Exoplanetenforschung war die Entdeckung von 51 Pegasi b, einem sogenannten heißen Jupiter, der viel näher an seinem Stern kreist, als es in unserem Sonnensystem überhaupt vorkommt. Diese Welt war nicht nur der Startschuss für die moderne Exoplanetenära, sondern auch ein Hinweis darauf, dass Migration im Planetensystem eine größere Rolle spielen kann, als wir lange dachten.

Da draußen gibt es außerdem jede Menge Arten von Planeten, die es bei uns nicht gibt. Zwischen den Massen von Erde und Neptun klafft in unserem Sonnensystem eine Lücke, aber anderswo gehören diese Planeten, oft als Mini-Neptune oder Supererden bezeichnet, zu den häufigsten Typen. Warum ausgerechnet wir keinen davon haben, ist eine dieser Fragen, die unser eigenes Sonnensystem plötzlich weniger "typisch" wirken lassen.

Aber wir bleiben bei den Gasriesen: Sie haben keine feste Oberfläche wie ein Gesteinsplanet, und selbst die Definition von "Oberfläche" ist oft nur eine Konvention, etwa bei einem bestimmten Druckniveau. Wir sprechen über die Zusammensetzung aus Wasserstoff und Helium, darüber, wie Dichte und Druck nach innen stark ansteigen, und warum in den Tiefen Zustände auftreten, die in unserem Alltag praktisch nicht vorkommen. Der metallische Wasserstoff ist dabei das Paradebeispiel: ein Materialzustand, der extrem leitfähig sein soll und eine Rolle für Magnetfelder spielen könnte, aber im Labor nur schwer stabil zu erzeugen ist.

Wir schauen auch auf das, was wir durch Missionen gelernt haben. Die Raumsonde Juno liefert Einblicke in Jupiter und seine Atmosphäre. Und Cassini hat uns den Saturn so detailliert gezeigt, dass sogar ein gigantisches, geometrisch erstaunlich regelmäßiges Wetterphänomen ikonisch geworden ist: das Sechseck am Nordpol. Gasplaneten sind absurd dynamisch, mit Jetstreams, Wirbeln, Stürmen und Gewittern, und wenn man sie verstehen will, muss man Hydrodynamik plötzlich ernst nehmen. Auch wenn sich das im Studium manchmal trocken anfühlt, ist es genau das Werkzeug, mit dem wir aus scheinbar ruhigen Planetenbildern physikalische Prozesse herauslesen können.

Auch die Entstehung der Gasriesen ist interessant: In der protoplanetaren Scheibe sollten sie typischerweise weiter außen entstehen, wo genügend Gas vorhanden ist. Das hat die Entdeckung der heißen Jupiter zunächst so irritierend gemacht. Heute ist die Idee der Migration ein zentraler Baustein, um solche Systeme zu erklären.

Zum Schluss besprechen wir die Klassifikation von Gasriesen nach ihrem Aussehen und ihrer Temperatur: die Sudarsky-Klassen. In unserem Sonnensystem fallen Jupiter und Saturn in die kälteste Klasse mit Ammoniakwolken, aber bei wärmeren Gasriesen können auch Wasserwolken dominieren, manche sind fast wolkenlos, und bei den heißesten Kandidaten werden sogar Silikat- und Eisenwolken relevant.

Eisriesen

Bevor wir die Folge beenden, klären wir noch ein Detail in der Begriffsfrage: Uranus und Neptun werden heute häufig nicht mehr als klassische Gasriesen, sondern als Eisriesen bezeichnet, weil ihre Zusammensetzung und Struktur sich deutlich von Jupiter und Saturn unterscheidet. Das klingt nach Haarspalterei, ergibt aber Sinn, wenn man die Unterschiede in chemischer Zusammensetzung, Farbe, Dynamik und Entstehung ernst nimmt.

Wir beenden die Folge mit einem Cliffhanger und der Frage, welche Rolle Supererden für die Suche nach außerirdischem Leben spielen. Das kommt aber erst in Teil II von Janas Geschichte über die Planeten.

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In dieser Folge nehmen wir euch zuerst mit in die österreichische Ballsaison, bevor wir uns die Entwicklung des kompletten Universums vornehmen. Nicht in Echtzeit, sondern simuliert. Wie man den ganzen Kosmos im Computer abbildet und was man dabei lernen kann, erklärt Eva in dieser Folge am Beispiel der berühmten Millenium-Simulation.

Ballsaison

Zur Einleitug erzählt Elka vom Wiener Ball der Wissenschaften und Eva von ihren Erlebnissen in der Ballsaison.

Wie simuliert man ein Universum?

Wir knüpfen an die vorige Folge an, in der wir über numerische Methoden und die Entdeckung von Gravitationswellen gesprochen haben, und fragen: Wie simuliert man eigentlich etwas so Großes wie das Universum? Wir können ja die Entwicklung des Universums nicht einfach “live” beobachten, weil seit dem Urknall Milliarden Jahre vergangen sind. Wenn wir verstehen wollen, wie Galaxien, Galaxienhaufen, Filamente und gigantische Leerräume entstanden sind, bleiben uns im Wesentlichen Beobachtungsdaten plus Physik plus Computer.

Elka erzählt zuvor aber noch kurz von ihrer eigenen Simulationserfahrung aus der Medizinphysik: In ihrer Masterarbeit hat sie mit Monte-Carlo-Simulationen gearbeitet, um zu modellieren, was bei Protonenbestrahlung im Körper passiert, also im Kontext der Strahlentherapie. Dabei wird vieles probabilistisch und stochastisch beschrieben, weil man nicht jeden einzelnen Prozess deterministisch Schritt für Schritt verfolgen kann. Wer sich für das Zentrum interessiert, das Elka erwähnt, findet hier Infos: MedAustron.

Danach erklärt Eva, wie Simulationen in der Astronomie typischerweise aufgebaut werden. Am Anfang steht eine präzise wissenschaftliche Frage, weil wir die Realität immer vereinfachen müssen. Dann entscheiden wir, welche physikalischen Prozesse relevant sind und welche wir vernachlässigen dürfen. Anschließend übersetzen wir das Ganze in Mathematik und numerische Verfahren, diskretisieren Raum, Zeit und Materie und legen Anfangsbedingungen fest. Erst dann lassen wir den Computer rechnen, oft parallelisiert auf vielen Prozessoren. Und selbst dann ist die Simulation noch nicht das Ende: Wir müssen die Ergebnisse analysieren und mit Beobachtungen vergleichen, sonst ist das Ganze zwar hübsch, aber wissenschaftlich wertlos.

Die Millenium-Simulation

Eine der berühmtesten kosmologischen Simulationen überhaupt ist die Millennium-Simulation aus dem Jahr 2005. Die spannende Idee dabei ist, dass sie sich im Kern auf dunkle Materie fokussiert. Auch wenn wir nicht wissen, woraus dunkle Materie genau besteht, können wir ihr Gravitationsverhalten modellieren, und das reicht, um großräumige Strukturbildung nachzuzeichnen. Ausgangspunkt ist das Standardmodell der Kosmologie, das Lambda-CDM-Modell.

Das Virgo-Konsortium hat die Simulation unter Federführung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching durchgeführt. Startpunkt war eine sehr frühe Phase des Universums, kurz nach der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung, inklusive der winzigen Dichteschwankungen, die als Keime für spätere Strukturen dienen. Statt das komplette Universum zu berechnen, wurde ein würfelförmiger Ausschnitt simuliert, zwei Milliarden Lichtjahre Kantenlänge, und die Masse wurde in viele “Teilchen” aufgeteilt, die jeweils für sehr große Materiepakete stehen. Damit das rechnerisch überhaupt geht, braucht es spezielle Algorithmen, die nahe Wechselwirkungen genauer und weit entfernte Beiträge effizient angenähert behandeln, nämlich TreePM und GADGET-2, und wer tiefer einsteigen will, findet das Paper als PDF dazu hier.

Das Ergebnis war beeindruckend: Die Simulation reproduzierte die großräumige Verteilung von Strukturen, also Filamente, Superhaufen und Voids, in einer damals unerreichten Realistik. Genau diese Art von kosmischem Netz ist es, die viele von uns schon als ikonische Visualisierung kennen. Wer direkt bei den Projektinfos schauen möchte, findet sie hier: Millennium Simulation Project (MPA) und als Projektseite des Virgo-Teams hier: The Millennium Project (Virgo). Für den historischen Kontext und weitere Links lohnt sich außerdem: ein Blick in die Wikipedia.

Auf das Millenium-Projekt sind diverse Nachfolgeprojekte und andere große Simulationen gefolgt, die später mit anderer Auflösung, anderen Parametern oder zusätzlicher Physik weitergemacht haben, etwa Illustris und Bolshoi.

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In dieser Folge wird gerechnet. Denn in der Astronomie gibt es nicht nur Beobachtung und Theorie. Dazwischen sitzt die Numerik und sie ist das Herzstück dieser Wissenschaft. Ohne numerische Methoden würden wir keine Planeten entdecken, hätten keine Gravitationswellen nachgewiesen und wüssten nichts über Dunkle Materie. Was die Numerik genau ist, wie sie funktioniert und wieso man davon im Studium überrascht wird, diskutieren Eva und Jana in dieser Folge.

Was ist Numerik?

Eva und Jana starten in diese Folge mit ihren Numerik-Erfahrungen im Studium. Beide beschreiben, dass lange der Eindruck entsteht, Astronomie wäre nur Beobachtung und Theorie, während die numerischen Methoden eher am Rand vorkommen. In der Praxis zeigt sich aber schnell: Ohne Numerik geht praktisch nichts.

"Numerik" bedeutet dabei nicht einfach nur Programmieren. Es geht um eine eigene mathematische Denkweise. Man muss verstehen, wie man ein Problem formuliert, wie man ein Verfahren auswählt, welche Näherung sinnvoll ist und wann ein Ergebnis als ausreichend genau gelten kann.

Eva bringt außerdem das Beispiel aus dem Film "Hidden Figures", in dem deutlich wird, dass rein analytische Methoden oft nicht ausreichen und numerische Verfahren notwendig werden, um reale Probleme wie Raumflugbahnen zu lösen. Die Szene ist zwar dramaturgisch zugespitzt, zeigt aber sehr gut, worum es grundsätzlich geht: Die Realität ist komplizierter als jede schöne Formel.

Neptun und Vulkan und die Anfänge der modernen Numerik

Hier wird der historische Bogen gespannt. Jana und Eva sprechen über das Zusammenspiel von Theorie, Beobachtung und Rechnung am Beispiel der Entdeckung des Neptun. Aus Bahnstörungen des Uranus wurde rechnerisch ein weiterer Planet vorhergesagt, und genau an der berechneten Position wurde er anschließend auch beobachtet. Für beide ist das ein Paradebeispiel für wissenschaftliche Eleganz: Erst denkt man sich etwas aufgrund von Theorie und Berechnung, dann bestätigt die Beobachtung diese Vorhersage und dazwischen steht die Numerik, die aus der Theorie das Modell für die Überprüfung der Beobachtung liefert.

Sie betonen außerdem, dass Numerik viel älter ist als Computer. Verfahren wie das Euler- oder Newton-Verfahren stammen aus Jahrhunderten, in denen es noch keine Rechenmaschinen gab. Schon Kepler, Newton und später Poincaré arbeiteten im Kern numerisch, weil sie merkten, dass viele Probleme analytisch nicht lösbar sind. Die moderne Numerik knüpft also an eine lange Tradition an, wurde aber erst mit Computern wirklich mächtig.

Exoplaneten entdecken mit Numerik

Jana erzählt von ihrer Bachelorarbeit mit Gravitationslinsen und Simulationen, bei denen Modelle im Computer gebaut wurden, solange bis die simulierten Bilder mit den echten Beobachtungen übereinstimmten.

Eva berichtet von ihrem aktuellen Uni-Projekt zur Transitmethode bei Exoplaneten. Sie beschreibt, wie man künstliche Lichtkurven erzeugt und diese mit echten Messdaten vergleicht. Man versucht, eine theoretische Kurve so anzupassen, dass sie möglichst gut auf die Daten passt.

Beide sprechen auch kritisch über die Gefahr des Overfittings. Man kann sich mit genug mathematischer Freiheit fast alles in eine Datenwolke hineininterpretieren. Deshalb ist wissenschaftliche Vorsicht entscheidend: Man muss immer hinterfragen, ob das Modell wirklich physikalisch sinnvoll ist oder nur gut angepasst wurde.

Die Effekte sind gerade bei den Exoplaneten besonders klein. Die Helligkeitsänderungen liegen oft im Bereich von Bruchteilen eines Prozents. Dass man solche Signale trotzdem aus den Daten herauslesen kann, ist nur mit sorgfältiger numerischer Analyse möglich.

Gravitationswellen und numerische Relativität

Im Hauptteil der Folge erklärt Eva, warum die Entdeckung der Gravitationswellen im Jahr 2015 ohne Numerik kaum möglich gewesen wäre. Die gemessenen Signale sind extrem schwach und in den Rohdaten kaum von Störungen zu unterscheiden. Erst durch numerische Simulationen wusste man überhaupt, wonach man suchen muss.

Die Verschmelzung zweier schwarzer Löcher ist analytisch nicht berechenbar. Raum und Zeit werden extrem verzerrt, die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie sind in dieser Situation nicht mehr exakt lösbar. Deshalb braucht es numerische Relativität: Man löst Einsteins Feldgleichungen mit riesigem Rechenaufwand auf Supercomputern.

Eva schildert den langen Weg bis zum Durchbruch: erste Versuche in den 1960ern, begrenzte Fortschritte in den 1980ern und schließlich der große Erfolg 2005, als es Frans Pretorius gelang, die vollständige Kollision zweier schwarzer Löcher stabil zu simulieren. Erst danach konnten verlässliche Vorhersagen für Gravitationswellensignale erstellt werden.

Oder anders gesagt: Man muss wissen, wie Vögel aussehen, bevor man sie beobachten kann. Genauso musste man wissen, wie ein Gravitationswellensignal aussehen sollte, um es im Datenrauschen von LIGO überhaupt erkennen zu können.

Weiterführende Information

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Das neue Jahr beginnt mit einem Science-Fiction Special. Peter ist wieder zu Gast und es geht um die Bombe. Die Bedrohung durch Atomwaffen ist heute fast aus unserem Bewusstsein verschwunden - früher war sie sehr viel präsenter; in der echten Welt genau so wie im Kino. Von Filmen aus der Zeit des Kalten Kriegs bis zu "Oppenheimer" haben wir uns angesehen, wie sich die Darstellung von Atomwaffen im Laufe der Zeit verändert hat.

Atombomben in der Science-Fiction

In der ersten Folge des neuen Jahres widmen sich Eva und Peter einem Thema, das historisch, politisch und filmisch ist: der Atombombe in der Science-Fiction. Klimawandel, Asteroiden, Pandemien, künstliche Intelligenz oder außerirdische Invasionen sind heute vertraute Motive. Doch kaum eine Entdeckung hat das 20. Jahrhundert und die kollektive Vorstellung von Selbstzerstörung so geprägt wie die Kernspaltung. Mit ihr hat die Menschheit erstmals die Möglichkeit geschaffen, sich vollständig selbst auszulöschen - und trotzdem ist die Zeit der Atombomben im Film scheinbar vorbei.

Die Entdeckung der Kernspaltung markiert einen tiefen Einschnitt, nicht nur wissenschaftlich, sondern auch kulturell. Ende 1938 entdecken Otto Hahn und Fritz Straßmann bei Experimenten mit Uran ein unerwartetes Spaltprodukt. Die physikalische Erklärung liefert Lise Meitner im Exil. Mit Einsteins Formel E = mc² wird klar, welches zerstörerische Potenzial in diesem Prozess steckt. Was zunächst eine bahnbrechende wissenschaftliche Erkenntnis ist, wird im Kontext des Zweiten Weltkriegs rasch zu einer militärischen Option. Die Angst, Nazi-Deutschland könnte eine solche Waffe entwickeln, treibt die USA zur Gründung des Manhattan-Projekts. Innerhalb weniger Jahre entsteht in Los Alamos eine ganze Stadt, in der tausende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter militärischer Aufsicht an der Entwicklung der Atombombe arbeiten.

Oppenheimer & Co

Die Diskussion über Christopher Nolans Film "Oppenheimer" dient als Einstieg in diese historische Phase. Wir sprechen darüber, dass der Film vielen Menschen die Figur J. Robert Oppenheimer und das Manhattan-Projekt erst wieder ins Bewusstsein gerufen hat, kritisieren aber zugleich den starken Fokus auf das Biografische. Die wissenschaftlichen und moralischen Dimensionen der Bombe selbst bleiben zu sehr im Hintergrund. Der Film zeigt kaum, was diese Waffe tatsächlich anrichtet und wie radikal neu sie war. Auch die Rolle europäischer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wie Lise Meitner oder die tatsächlichen technischen Herausforderungen beim Bau der Bombe werden nur am Rand erwähnt. Stattdessen dominiere eine sehr amerikanische Perspektive.

Wir sprechen über die beiden Abwürfe auf Hiroshima und Nagasaki im August 1945, über die unmittelbare Zerstörung, die zehntausenden Toten und die bis heute umstrittene Rechtfertigung, der Einsatz habe den Krieg verkürzt und Leben gerettet. Und die Folgen waren langfristig! Mit dem Ende des Zweiten Weltkriegs beginnt das atomare Wettrüsten des Kalten Krieges. In seiner Hochphase existieren weltweit bis zu 60.000 Atomsprengköpfe. Auch wenn diese Zahl heute deutlich gesunken ist, bleibt das grundlegende Problem bestehen: Die Gefahr ist nicht verschwunden, sie ist nur nicht mehr Teil des Alltagsbewusstseins.

Diese Unsichtbarkeit der Bedrohung ähnelt der aktuellen Debatte rund um künstliche Intelligenz. Wie bei der Atombombe stehen auch hier Fragen der Verantwortung im Raum. Eine Generation trifft Entscheidungen unter dem Druck eines Wettrennens, während die Konsequenzen über Jahrzehnte oder Jahrhunderte weiterwirken.

Die Folgen der Bombe und die Bombe als Rettung

Im zweiten Teil der Folge wenden wir uns der Science-Fiction zu und zeigen, wie die Atombombe dort verarbeitet wird. Einerseits gibt es satirische oder absurde Zugänge wie "Einstein Junior", in dem die Spaltung eines Bieratoms zur Komödie wird, oder "Dr. Strangelove", der den nuklearen Weltuntergang als bitterböse Farce inszeniert. Auf der anderen Seite stehen Filme, die den Atomkrieg ernst und schonungslos darstellen. Klassiker wie "On the Beach" schildern eine Welt nach der Bombe, in der das Ende unausweichlich ist, während der Alltag noch weitergeht. Besonders eindringlich sind Werke wie "Threads", die in den 1980er-Jahren die Folgen eines Atomkriegs drastisch vor Augen führen und ganze Generationen geprägt haben.

Darüber hinaus sprechen wir über das Subgenre der radioaktiven Monster, das besonders in den 1950er Jahren aufkam. Atomtests führten in der Sci-Fi zu Mutationen und gigantischen Kreaturen wie Godzilla als Sinnbild des japanischen Traumas. Diese Filme verarbeiten die damals sehr reale Angst vor den Folgen von Atomtests, die in der Atmosphäre durchgeführt wurden und deren Auswirkungen auf Umwelt und Menschen kaum verstanden waren. Radioaktivität wird dabei zum erzählerischen Werkzeug, um eine diffuse Bedrohung greifbar zu machen, indem sie Körper verändert und die Natur selbst zur Gefahr werden lässt.

Vor allem in Japan wurde die traumatische Erfahrung der Atombombenabwürfe in vielfältiger filmischer Form verarbeitet. Ein besonders eindrückliches Beispiel dafür ist der Animationsfilm "Die letzten Glühwürmchen" aus dem Jahr 1988. Der Film wird als einer der deprimierendsten Filme überhaupt bezeichnet und taucht regelmäßig in entsprechenden Ranglisten auf. Anders als viele westliche Produktionen zeigt er keinen abstrakten Atomkrieg und keine spektakulären Explosionen, sondern konzentriert sich auf das Leid der Zivilbevölkerung, insbesondere von Kindern, im zerstörten Japan.

Am Schluss geht es um die vermeintlich positive Nutzung nuklearer Waffen im Kino. In vielen Science-Fiction-Filmen wird die Atombombe als Lösung Probleme aller Art behandelt. Wir hinterfragen das, weil es die reale Problematik der Waffen ausblendet und sie auf ein dramaturgisches Werkzeug reduziert.

Zwischendurch erklären wir natürlich auch die Wissenschaft hinter der Bombe, die Kernfusion und den Unterschied zwischen Atombomben und Wasserstoffbomben.

Weiterführende Informationen

Die böse radioaktive Kugel, die mehrere Menschen umgebracht hat, heißt passenderweise Demon Core.

Eva empfielt "Die Nacht der Physiker" von Richard von Schirach.

In der Folge erwähnte Filme und Serien

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