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Gravitationswellen, Verzerrungen der Raumzeit, einst von Albert Einstein theoretisch vorhergesagt, sind eine der aufregendsten Entdeckungen der modernen Physik. Ihr Nachweis stellt eine enorme Präzisionsleistung dar. Doch was genau sind Gravitationswellen? Wie entstehen sie? Und warum dauerte es mehr als hundert Jahre, bis ihr Nachweis gelang?

Einleitung

In Folge 53 haben Eva und Jana über die Kollision Schwarzer Löcher gesprochen. Bei der Kollision solch massereicher und kompakter Objekte entstehen Gravitationswellen.

Im Allgemeinen werden drei Arten von Gravitationswellen unterschieden:

Die Geschichte der Gravitationswellen

Bereits 1916 sagte Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Gravitationswellen voraus. Seine Theorie beschreibt die Gravitation nicht als klassische Kraft (wie bei Isaac Newton), sondern als Krümmung der Raumzeit. Er verstand die Gravitation als eine Eigenschaft des Raumes selbst, wobei jedes Objekt mit Masse den Raum krümmt. Nach Einstein ist die Gravitation also die Art und Weise, wie wir die Krümmung des Raumes wahrnehmen. Im Gegensatz zu Newton folgt daraus, dass sich eine Änderung der Gravitationskraft nicht unendlich schnell ausbreitet, sondern mit Lichtgeschwindigkeit. Und genau das beschreibt eine Gravitationswelle, eine sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitende Änderung der Raumkrümmung.

Trotz der geringen Erfolgschancen, begannen ab den 1970er Jahren Experimente zum Nachweis von Gravitationswellen. Der amerikanische Physiker Joseph Weber begann erste Versuche mit massiven Aluminiumzylindern. Seine vermeintlich positiven Ergebnisse konnten jedoch nicht reproduziert werden und wurden in der Fachwelt mit Skepsis betrachtet. Seine Versuche ebneten jedoch den Weg für weitere Forschungen in der Physik.

Laserinterferometrie und LIGO

Ab den 1990er Jahren begann die Entwicklung und der Bau von LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), das schließlich den Durchbruch bringen sollte. Im Gegensatz zu Weber wurde hier der Nachweis der Messung von Gravitationswellen mittels Laserinterferometrie verfolgt.

Ein Laserinterferometer arbeitet mit einer Laserlichtquelle. Das Laserlicht wird in zwei Strahlen aufgeteilt, die im rechten Winkel zueinander die gleiche Strecke zurücklegen, bevor sie an einem Spiegel reflektiert werden und so zu ihrem Ausgangspunkt zurückkehren. Da beide Strahlen exakt den gleichen Weg (mit Lichtgeschwindigkeit) zurückgelegt haben, treffen sie gleichzeitig wieder ein. Das Interferometer wird nun so eingestellt, dass sich die beiden Laserstrahlen dort gegenseitig auslöschen, also nichts mehr zu sehen ist.

Warum war der Nachweis so schwierig? Das Prinzip der Messung ist zwar einfach, aber die Umsetzung erfordert eine extrem hohe Präzision.

Gravitationswellen sind extrem schwach: Die von LIGO gemessene Verzerrung der Raumzeit beträgt nur ein Zehntausendstel des Durchmessers eines Protons!

Die erste entdeckte Gravitationswelle: GW150914

Die von LIGO 2015 nachgewiesene Welle entstand vor 1,3 Milliarden Jahren, als zwei Schwarze Löcher mit 29 und 36 Sonnenmassen kollidierten und zu einem neuen Schwarzen Loch mit 62 Sonnenmassen verschmolzen. Die restliche Energie - das Äquivalent von 3 Sonnenmassen - wurde in Form von Gravitationswellen abgestrahlt.

Für diesen bahnbrechenden Nachweis erhielten Rainer Weiss, Kip Thorne und Barry Barish 2017 den Nobelpreis für Physik.

Gravitationswellen lassen sich als Frequenzverschiebung wahrnehmen - das berühmte „Blopp!“ wurde zur akustischen Signatur verschmelzender Schwarzer Löcher.

Die Zukunft: Gravitationswellenforschung im All mit LISA

Während LIGO auf der Erde arbeitet, plant die ESA mit LISA (Laser Interferometer Space Antenna) ein Gravitationswellen-Observatorium im Weltraum (Start ca. 2034).

Warum im Weltraum?

Dort gibt es keine seismischen Störungen, es können niedrigere Frequenzen gemessen werden, was den Nachweis von supermassiven Schwarzen Löchern und frühen kosmischen Ereignissen ermöglicht, und schließlich können Millionen Kilometer lange Laserarme (!) noch präzisere Daten liefern.

Gravitationswellenastronomie: Ein neues Fenster zum Universum

Gravitationswellen sind nicht nur eine neue Art, das Universum zu „sehen“, sondern auch ein völlig neuer Informationskanal:

Literatur und weiterführende Links:

Collins, Harry: Gravity’s Kiss, The Detection of Gravitational Waves (Engl.)

Boblest, Sebastian; Müller, Thomas; Wunner, Günter: Spezielle und allgemeine Relativitätstheorie, 2. Auflage, Springer Spektrum; Kapitel 15 Gravitationswellen

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In dieser Folge widmen wir uns den Lebensgeschichten inspirierender Frauen in Wissenschaft und Raumfahrt aus einer neuen Perpektiven, dem Theater. Mit dabei ist ein ganz besonderer Gast: die Schauspielerin Anita Zieher, die mit dem Wiener portraittheater die Lebensgeschichten bedeutender Frauen aus der Wissenschaft und der Forschung auf die Bühne bringt.

Wissenschaft trifft Theater

Bereits in früheren Folgen unseres Podcasts haben wir die Geschichten von Forscherinnen und Pionierinnen erzählt:

Passend zum Internationalen Frauentag am 8. März betrachten wir das Thema aus einer neuen Perspektive: Wie können Wissenschaftlerinnen durch Theater einem breiten Publikum nähergebracht werden? Die Schauspielerin Anita Zieher gibt mit portraittheater genau diesen Frauen eine Stimme auf der Bühne.

Anita Zieher ist Schauspielerin für Theater, Film, Improvisation und Kabarett. Mit portraittheater erweckt sie seit 2006 außergewöhnliche Frauenfiguren zum Leben. Die Produktionen basieren auf fundierter Recherche und werden international an Universitäten, in Museen, Theatern und Kulturforen aufgeführt.

Bisher porträtierte Wissenschaftlerinnen und Intellektuelle, die in den Stücken von Anita Zieher auf der Bühne standen, sind unter anderem:

Theaterstücke über Pionierinnen der Wissenschaft

Zwei herausragende Stücke von portraittheater passen perfekt zu den Themen von Cosmic Latte:

Curie – Meitner – Lamarr: unteilbar

Drei brillante Frauen aus Physik und Technik: Marie Curie, zweifache Nobelpreisträgerin und Entdeckerin der Radioaktivität, Lise Meitner, die an der Entdeckung der Kernspaltung maßgeblich beteiligt war, und Hedy Lamarr, Schauspielerin und Entwicklerin des Frequenzsprungverfahrens, das die Basis für heutige WLAN- und Bluetooth-Technologien bildet.

Sternenfrauen: Astronominnen, Raumfahrerinnen & Weltraumexpertinnen

Dieses Stück beleuchtet Frauen, die die Erforschung des Universums vorangebracht haben: von Caroline Herschel und Williamina Fleming über Valentina Tereshkova und Sally Ride bis hin zu heutigen Wissenschaftlerinnen wie Suzanna Randall und Barbara Imhof. Sie alle haben die Erforschung des Weltraums geprägt und ihre Spuren in der Wissenschaft hinterlassen.

Anita Zieher im Gespräch

In dieser Podcastfolge sprechen wir mit Anita Zieher über ihre einzigartige Arbeit:

Veranstaltungstipp

Live-Vorstellung am 6. März in Baden:

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Schwarze Löcher gehören zu den extremsten Objekten im Universum. Doch was passiert, wenn zwei dieser kosmischen Giganten aufeinandertreffen? In dieser Episode tauchen Eva und Jana in das faszinierende Thema der Kollisionen von Schwarzen Löchern ein – von stellaren Schwarzen Löchern bis zu den supermassereichen Giganten in den Zentren von Galaxien, die eigentlich nicht kollidieren dürften - es aber trotzdem tun!

Award zu gewinnen!

Es gibt einen Award zu gewinnen!

Einleitung mit Pauli-Effekt: 100 Jahre Quantenphysik

Im Weihnachtsspecial von Cosmic Latte (Folge CL049 Weihnachten mit leuchtenden Waschbären und Wissenschaft erzählte Eva vom österreichischen Physiker Wolfgang Pauli, der neben seinen bahnbrechenden Erkenntnissen für die Quantenphysik, wie dem Pauli-Prinzip, auch für ein weniger wissenschaftliches Phänomen Namensgeber war, dem Pauli-Effekt: sobald sich Pauli in der Nähe von technischen Geräten befand, gingen sie kaputt. Sein Ruf eilte ihm derart voraus, dass ihm teilweise der Zugang zu Laboren untersagt wurde.

Aus diesem Anlass gibt es an vielen Instituten und Universitäten ein vielfältiges Programm.

Zudem gibt es auch einen Dokumentarfilm aktuell im Kino zu sehen: "Tracing Light" beschäftigt sich mit dem Phänomen Licht und bringt dafür Kunst und Physik zusammen.

Kollidierende Schwarze Löcher

Damit Schwarze Löcher kollidieren können, müssen sie sich zunächst als Paar finden. In stellaren Binärsystemen passiert das oft, wenn zwei massereiche Sterne gemeinsam entstehen, ihr Leben als Supernova beenden und schließlich als Schwarze Löcher weiterbestehen. Alternativ können sich Schwarze Löcher in dichten Sternhaufen durch dynamische Prozesse anziehen und ein Paar bilden

Ein Beispiel für supermassereiche Binaries ist der aktive Kern der Galaxie NGC 6240 (auch bekannt als die “Seestern-Galaxie". Dort sind die beiden riesigen schwarzen Löcher wahrscheinlich noch recht weit voneinander entfernt.

Für supermassereiche Schwarze Löcher (SMBHs) ist der Weg zur Kollision noch dramatischer: Sie entstehen oft durch die Verschmelzung von Galaxien. Doch selbst wenn zwei Galaxien verschmelzen, ist es nicht garantiert, dass ihre Schwarzen Löcher kollidieren – hier spielt das sogenannte Final Parsec Problem eine entscheidende Rolle.

Supermassive Black Hole Merger – kosmische Giganten auf Kollisionskurs

Phase 1: Annäherung durch Galaxienkollisionen

Wenn zwei Galaxien miteinander verschmelzen, ziehen sich ihre supermassereichen Schwarzen Löcher durch gravitative Wechselwirkungen langsam ins Zentrum der neuen Galaxie. Dieser Prozess kann Millionen Jahre dauern, und die Schwarzen Löcher können sich bis auf einige Parsec (einige Tausend Lichtjahre) annähern.

Phase 2: Binäres System – die kritische Distanz

Sobald die beiden SMBHs ein gebundenes System bilden, beginnt der nächste schwierige Schritt: Sie müssen sich weiter annähern. Dabei verlieren sie Energie, indem sie Sterne und Gas aus ihrer Umgebung herauskatapultieren. Dieses Phänomen nennt man stellar hardening. Doch sobald der Abstand unter etwa 1 Parsec sinkt, stößt das System auf das Final Parsec Problem – die Zahl der interagierenden Sterne reicht möglicherweise nicht mehr aus, um die Annäherung weiter voranzutreiben.

Phase 3: Das Final Parsec Problem

Obwohl die Gravitation sie eigentlich zusammenziehen müsste, bleiben viele SMBH-Paare in einer stabilen Umlaufbahn gefangen. Dafür gibt es mehrere mögliche Gründe:

Phase 4: Gravitationswellen übernehmen die Kontrolle

Sobald der Abstand unter etwa 0,01 Parsec sinkt, werden Gravitationswellen zur dominierenden Energiequelle. Das bedeutet, dass die Schwarzen Löcher Energie in Form von Gravitationswellen abstrahlen, wodurch sie sich immer schneller spiralförmig annähern. Dieser Prozess kann einige Millionen Jahre dauern – im kosmischen Maßstab ist das jedoch ein Wimpernschlag.

Phase 5: Die Kollision und der kosmische „Ringdown“

Wenn sich die beiden Schwarzen Löcher schließlich berühren, entsteht ein neues, noch massereicheres Schwarzes Loch. Dabei kommt es zu einem kurzen, aber extrem starken Ausbruch an Gravitationswellen.

Obwohl Schwarze-Loch-Kollisionen normalerweise keine direkte elektromagnetische Strahlung aussenden, könnten Gasreste oder Akkretionsscheiben um die Schwarzen Löcher durch die gewaltige Energie freigesetzt werden. Ein solches Ereignis könnte sich als extrem heller Röntgenblitz oder sogar als Gammastrahlenausbruch bemerkbar machen.

Ein spektakuläres Beispiel für ein fast verschmelzendes SMBH-Paar ist die Galaxie OJ 287, die regelmäßig starke optische Ausbrüche zeigt. Astronomen und Astronominnen vermuten, dass ein kleineres Schwarzes Loch in einem exzentrischen Orbit regelmäßig durch die Akkretionsscheibe eines massiveren SMBHs pflügt, dabei gewaltige Energiemengen freisetzt und innerhalb der nächsten 10.000 Jahre vollständig verschmelzen wird.

Kollision Stellarer Schwarzer Löcher

Während SMBH-Kollisionen über Milliarden Jahre dauern, laufen Kollisionen zwischen stellaren Schwarzen Löchern wesentlich schneller ab – und sie sind bereits mehrfach von Detektoren wie LIGO und Virgo nachgewiesen worden.

Phase 1: Entstehung eines Schwarzen-Loch-Paares

Zwei massereiche Sterne entwickeln sich zu einem binären Schwarzen-Loch-System. Oder zwei isolierte Schwarze Löcher treffen in einem dichten Sternhaufen durch dynamische Prozesse aufeinander und bilden ein Paar.

Phase 2: Spiralförmige Annäherung durch Gravitationswellen

Sobald sich die Schwarzen Löcher näher als einige tausend Kilometer kommen, wird die Gravitationswellen-Abstrahlung so stark, dass die Spirale sich rapide beschleunigt. Die Umlaufzeit verkürzt sich von Tagen auf Minuten oder Sekunden.

Phase 3: Die finale Kollision

Der eigentliche Zusammenstoß erfolgt in Sekundenbruchteilen – begleitet von einem sogenannten „Chirp“-Signal, das durch LIGO & Virgo messbar ist. Falls Materie oder Magnetfelder beteiligt sind, könnten diese Kollisionen auch elektromagnetische Strahlung freisetzen, z. B. in Form von kurzen Gammablitzen (sGRBs).

Das Mysterium der Intermediate Mass Black Holes (IMBHs)

Während stellare Schwarze Löcher nur wenige Dutzend Sonnenmassen besitzen und supermassereiche Schwarze Löcher Millionen bis Milliarden Sonnenmassen aufweisen, gibt es eine schwer fassbare Zwischenkategorie: die Intermediate Mass Black Holes (IMBHs). Sie sind mit hunderten bis hunderttausenden Sonnenmassen weder klein noch extrem groß, und ihre Entstehung ist bis heute ein Rätsel.

Weiterführende Links:

Supermassive Black Hole Merger (SMBH-Merger):

Illustration: The three phases of black hole merger (courtesy Kip Thorne)

Das Final Parsec Problem:

BBC Sky Night Magazine, The Final Parsec Problem explained

Quanta Magazine, How Do Merging Supermassive Black Holes Pass the Final Parsec?

Stellar Black Hole Merger (SBH-Merger):

Das Mysterium der IMBH und frühen SMBH:

NASA, Black Hole Types

Phys.org, How did supermassive black holes get so big, so early? They might have had a head start

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Wie haben Frauen die Astronomie revolutioniert - und warum kennt kaum jemand ihre Namen? In dieser Podcast-Episode werfen wir einen Blick auf eine oft vergessene, aber bedeutende Gruppe von Frauen in der Astronomie: die „Lady Computers“. Diese Frauen haben zwischen dem 17. und 20. Jahrhundert hochkomplexe Berechnungen durchgeführt und waren maßgeblich an der wissenschaftlichen Erforschung des Himmels beteiligt - allerdings meist unter prekären Arbeitsbedingungen, mit geringer Bezahlung und kaum Aufstiegschancen. Ohne ihre Arbeit wären viele astronomische Durchbrüche - von der Himmelskartierung bis zur Expansion des Universums - nicht möglich gewesen.

Einleitung

In dieser Folge werfen Eva und Elka nicht nur einen Blick auf die Rechenkünste weiblicher Astronomie-Computer und Rechenhilfen, sondern rechnen auch selbst. Denn unser Hörer Bernd hat uns neben anderen Hörern eine Mail zu Folge 51 von Cosmic Latte, "Die Energie der Sterne!" geschrieben und gefragt, wie viel Leistung eigentlich ein Kubikmeter Sonne hat, und zwar im Vergleich zu einem Komposthaufen - ein Vergleich mit überraschendem Ergebnis!

Sonne vs. Komposthaufen vs. Mensch

Die Sonne ist eine gigantische Kugel aus heißem Plasma, die durch Kernfusion unvorstellbare Mengen an Energie erzeugt. Ihre Gesamtleistung beträgt etwa 3,828×10^26 Watt - eine beeindruckende Zahl! Die Leistung der Sonne pro Kubikmeter ist jedoch erstaunlich gering: nur 0,27 Watt pro Kubikmeter.

Noch faszinierender ist der Vergleich mit dem Menschen: Ein Mensch setzt durch seinen Stoffwechsel bei leichter Aktivität etwa 100 Watt Wärme frei. Bei einem Gewicht von 70kg und einer Oberfläche von 2m² ergibt das eine Leistungsdichte von 1,4 Watt pro Kilogramm - die Sonne strahlt dagegen nur 0,0002 W/kg ab!

Dass die Sonne uns trotzdem mit Energie versorgt, liegt an ihrer schieren Größe! Berechnen können wir das Ganze übrigens mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz - benannt nach den beiden österreichischen Physikern Josef Stefan und Ludwig Boltzmann. Sie fanden heraus, dass die Strahlungsleistung eines Körpers mit der vierten Potenz seiner Temperatur zunimmt: Je heißer also ein Körper ist, desto mehr Energie strahlt er ab. Da die Leistung mit T^4 wächst, erhöht sich bei doppelter Temperatur die Strahlung um den Faktor 16! Damit konnten sie erstmals die Temperatur der Sonne mit 6000K erstaunlich genau berechnen.

Observatorio del Teide

Elka war im Urlaub auf Teneriffa und besuchte dort das Observatorio del Teide, das aufgrund seiner Lage (dem höchsten Berg Spaniens, dem Izaña, auf 2400 Meter Seehöhe) ursprünglich ein guter Ort zur Sternenbeobachtung war. Aufgrund der Lichtverschmutzung hat sich das Observatorium inzwischen auf die Sonnenbeobachtung spezialisiert.

Heute ist alles sehr modern und computergesteuert, aber wie war das früher in den Observatorien? Da gab es Computerfrauen, also Rechnerinnen.

Weibliche Computer

Bereits im 17. Jahrhundert gab es herausragende Astronominnen wie Maria Cunitz, die in ihrem Werk Urania Propitia die komplizierten Berechnungen Johannes Keplers vereinfachte und sogar Fehler in dessen Rudolfinischen Tafeln korrigierte. Im 19. Jahrhundert wurde die Berechnung astronomischer Daten immer wichtiger, vor allem mit dem Aufkommen großer Forschungsprojekte wie dem Astrographischen Katalog, einem internationalen Projekt zur Kartierung des gesamten Nachthimmels.

Eine zentrale Figur dieser Zeit war Dorothea Klumpke, die am Pariser Observatorium arbeitete und 1899 auf dem Internationalen Frauenkongress in London die Rede “Women’s Work in Astronomy” hielt. Sie sprach über die wachsende Bedeutung der Frauen in der Astronomie und sah die vielen Astronominnen als Zeichen einer neuen Ära der Gleichberechtigung. Die Realität sah jedoch so aus, dass viele dieser Frauen nur eingeschränkte Karrieremöglichkeiten hatten.

Harvard, Greenwich & Co.

Besonders bekannt wurde das Harvard-Computer-Team unter der Leitung von Edward Charles Pickering. Seine Rechnerinnen, darunter Williamina Fleming, Annie Jump Cannon und Henrietta Swan Leavitt, revolutionierten die Astronomie. Fleming entwickelte das erste System zur spektralen Klassifizierung von Sternen, Cannon verfeinerte es zum heute bekannten OBAFGKM-System, und Leavitt entdeckte die Perioden-Leuchtkraft-Beziehung von Cepheiden, ein entscheidendes Werkzeug zur Messung kosmischer Entfernungen.

Im Vergleich zu anderen Observatorien förderte Pickering seine Mathematikerinnen, indem er mit ihnen gemeinsam publizierte und ihre Leistungen öffentlich anerkannte. Trotzdem verdienten die Frauen nur 25 Cent pro Stunde. Männliche Assistenten bekamen fast das Doppelte.

Auch am Observatorium in Greenwich in London wurden ab 1889 Frauen als Rechnerinnen beschäftigt, allerdings auch zu niedrigen Löhnen und ohne Anerkennung. Ähnlich erging es den Rechnerinnen in Australien, die ab 1902 per Gesetz nur 54 % des Gehalts ihrer männlichen Kollegen erhalten durften. Trotz dieser Widrigkeiten setzten sich einige Frauen für höhere Löhne ein - und erreichten schließlich erste Verbesserungen.

Weiterführende Links und Quellen:

Reser, A., & McNeill, L. (2022). Frauen, die die Wissenschaft veränderten: Von der Antike bis zur Gegenwart (W. Krabbe, Übers.). Haupt Verlag.

Film: Agora - Säulen des Himmels 8Spanien, 2009): historisches Drama über die spätantike Astronomin, Philosophin und Mathematikerin Hypatia von Alexandria (Rachel Weisz).

Cosmic Latte Folge 29:In der Folge über Frauen, die nach den Sternen greifen!, erzählt Eva die Geschichte der australischen Physikerin Ruby Payne Scott, die zur Pionierin in der Radioastronomie wurde.

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Diese Folge nimmt am Fast Forward Science 2025 Wettbewerb teil!

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Warum leuchtet die Sonne? Das haben wir überraschend lange nicht gewusst. Mittlerweile wissen wir Bescheid: In ihrem Inneren findet Kernfusion statt. Und wenn wir das auch auf der Erde hinkriegen könnten, wäre das super. Das ist aber gar nicht so einfach. Wie die Kernfusion im Inneren der Sonne funktioniert und wo das Problem mit der künstlichen Kernfusion liegt, diskutieren Eva und Jana in dieser Folge.

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Die Atommaus

Am 23. Januar 1972 hat die "Sendung mit der Maus" ihren Namen bekommen. Und am 23. Januar 2025 ist nicht nur diese Podcastfolge erschienen, sondern es feiert auch Armin Maiwald, der Schöpfer der Maus, seinen 85. Geburtstag. Jana ist ganz besonders begeistert von der Folge mit der "Atommaus", in der das Konzept der Kernspaltung erklärt wird.

Kernfusion

Über Kernspaltung haben Eva und Jana aber schon in Folge 46 gesprochen. Diesmal geht es um die Kernfusion. Die ist zwar so ähnlich und auch hier wird Energie durch kernphysikalische Prozesse erzeugt. Allerdings nicht durch die Spaltung großer Atomkerne, sondern durch die Fusion von kleinen Atomen.

Heute wissen wir, dass das der Grund ist, aus dem Sterne leuchten. Bis wir das herausgefunden haben, hat es aber gedauert. Zuerst dachten wir, die Sonne wäre einfach nur ein großes Feuer; eine riesige Kohlenkugel. Dann und etwas wissenschaftlicher, haben Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen im 19.Jahrhundert vermutet, dass die Sonne ihre Energie bekommt, weil sie unter ihrer eigenen Gravitationskraft immer kleiner wird. Aber damit hätte sie höchstens ein paar Dutzend Millionen Jahre lang leuchten können.

Anfang des 20. Jahrhunderts hat Arthur Eddington anhand Einsteins Erkenntnissen postuliert, dass es kernphysikalische Prozesse sein könnten, die im Inneren der Sonne dafür sorgen, dass Energie entsteht. Damit hatte er Recht, aber um die Details zu klären, hat es noch ein bisschen länger gedauert. Erst durch die Entwicklung der Quantenmechanik, konnten wir am Ende entschlüsseln, wie es läuft: In der Sonne werden Wasserstoffatome zu Heliumatomen fusioniert und das funktioniert nur deswegen, weil in ihrem Inneren die Temperatur und der Druck ausreichend hoch sind.

Künstliche Kernfusion

Es wäre toll, wenn wir diese saubere und effiziente Energieform auch auf der Erde nutzen können. Und wir haben die Kernfusion auch schon in den 1930er Jahren im Labor geschafft. Aber wir brauchen nicht nur Fusion, wir brauchen Fusion bei der Energie wirtschaftlich nutzbar freigesetzt wird. Daran arbeiten wir immer noch.

Der österreichische Physiker Roland Richter hat zwar nach dem zweiten Weltkrieg behauptet, er hätte die kontrollierte Kernfusion geschafft, und sein Geldgeber, der argentinische Präsident Juan Perón, hat ihm das zuerst auch geglaubt. Aber es war natürlich Quatsch, was sich auch der amerikanische Astronom Lyman Spitzer gedacht hat, als er davon im Skiurlaub erfahren hat. Der hat aber länger darüber nachgedacht und dabei herausgefunden, wie man theoretisch Wasserstoffplasma tatsächlich heiß und dicht genug für eine Fusion kriegen kann. Er hat den Stellarator erfunden, einer von drei Wegen der künstlichen Kernfusion, die wir derzeit erforschen (die anderen beiden sind der Tokamak und die Trägheitsfusion).

Es wird noch länger dauern, bis wir das hinkriegen - wenn überhaupt. Aber zumindest unsere Sonne wird noch ein paar Milliarden Jahre lang weiter leuchten.

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In unserem 5. Science-Fiction Special werfen wir einen Blick auf ein besonderes Jahrzehnt in der Filmgeschichte: die 1950er Jahren. Missglückte Laborversuche, entlaufene Riesenspinnen, Angriffe aus dem All, fliegende Untertassen und Marsianer zeigen die Vielfalt der Filme aus den goldenen Jahren, in denen der Grundstein der Science-Fiction von heute gelegt wurde.

Einleitung

Wir beginnen das Jahr mit unserem 5. Science-Fiction Special. Und weil es auch die 50. Episode von Cosmic Latte ist, werfen Eva und Peter einen Blick in die goldenen Jahre der Science-Fiction, in ein Jahrzehnt, in dem das Sci-Fi Genre im Film seine Grundsteine legte: die 50er Jahre!

Die Welt und die Science-Fiction der 1950er Jahre

Die 1950er Jahre zeigen sich uns rückblickend von zwei Seiten: zum Einen präsentiert sich die Welt der Nachkriegszeit mit Fred Astaire, Dean Martin, Jerry Lewis und Esther Williams als heile Welt, während gleichzeitig das Atomzeitalter und der kalte Krieg begonnen haben. Die Raumfahrtambitionen sind hoch, das Space Race nimmt seinen Lauf als die USA mit Sputnik unter Schock geraten.

Wissenschaft ist nicht mehr nur Fortschritt und Problemlösung. Die Angst vor den Folgen der Atomenergie oder vor dem Unbekannten wie außerirdischem Leben, führte auch zur Entstehung der modernen Science Fiction als Spiegel eben dieser Ängste und Hoffnungen.

In unserem persönlichen und ganz subjektiven Ranking diskutieren wir, welche dieser Klassiker mit zeitlosen Themen glänzen und warum sie auch heute noch gesellschaftlich relevant sind. Wir beleuchten, welche Rolle die Wissenschaft in den Filmen spielt und wie wissenschaftliche Erkenntnisse damals dargestellt wurden - und was wir heute darüber wissen.

So wird zum Beispiel im Intro von Kampf der Welten (1953), Jupiter als feuriger Planet mit Vulkanen dargestellt. Dass Jupiter ein Gasplanet ist, wurde zwar aufgrund von Spektrakanalysen damals schon vermutet, bestätigt wurde dies aber erst in den 1970er Jahren.

Frauenrollen in der frühen Science Fiction

Natürlich können wir die Filme der 1950er Jahre nicht betrachten, ohne auf die Frauenrollen einzugehen. Viele weibliche Charaktere haben zwar Berufe wie Lehrerin (z. B. in Gefahr aus dem Weltall) oder sind Assistentinnen. Wissenschaftliche Berufe sind seltener, kommen aber in "Tarantula" und "Das Ding aus einer anderen Welt" vor. Die Frauen spielen oft unterstützende oder moralische Rollen und dienen als Motivationsfaktoren für die männlichen Protagonisten, in Aktion zu treten und sie bzw. die Welt zu retten.

Forbidden Planet und When Worlds Collide

"Gefahr aus dem Weltall" (Forbidden Planet, 1956) mit einem jungen Leslie Nielsen in der Hauptrolle, fällt zwar durch den Test (es gibt nur eine weibliche Klischee-Rolle), bietet aber visuell alles was das Sci-Fi Herz begehrt, von klassischen fliegenden Untertassen bis hin zu Robby, dem Roboter, der zur Ikone wurde.

Der Film "Der jüngste Tag" (When Worlds Collide, 1951) bietet hier sowohl eine interessante weibliche Hauptrolle (und die damals üblichen weiblichen Computer) als auch viel Astronomie.

Auch einige Folgen der damals sehr bekannten Serie "The Twilight Zone" (sozusagen das "Black Mirror" der damaligen Zeit) zeigen die Weitsicht bzw. das gute Gespür mancher Drehbuchautoren der damaligen Zeit.

Viele dieser Filme inspirierten Regisseure, Autorinnen und Filmemacher, die sie in ihrer Jugend sahen, ihren Weg im Filmgeschäft zu gehen. Die zahlreichen Remakes von Filmen aus dieser Zeit zeugen von ihrer Bedeutung und können als Hommage an eine Zeit gesehen werden, in der (wissenschaftlich) alles möglich schien.

In der Folge erwähnte Filme:

Links und weiterführende Informationen:

-Eine Folge des feministischen Filmppodcast "Ned Wuascht" mit ausführlichen Infos zu Bechdel-Test & Co

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Begrüßung

In unserem Feiertagsspecial lassen wir das Jahr 2024 gemeinsam ausklingen. Eva, Elka und Jana sprechen über einige der faszinierendsten Wissenschaftler:innen, die wir für ihre vielleicht übermenschlich erscheinenden Leistungen und Entdeckungen kennen. Aber dahinter stecken auch nur Menschen mit Stärken und Schwächen.

Wissenschaftliche Genies sind auch nur Menschen

Wolfgang Pauli und der Pauli-Effekt

Der theoretische Physiker und Nobelpreisträger Wolfgang Pauli, ist v.a. für das Pauli-Prinzip bekannt. Auch als Ausschließungs-Prinzip bekannt, erklärt es die Elektronenverteilung in Atomen und die Stabilität der Materie, und wird allen die ein Semester Physik an der Uni hatten, schon untergekommen sein. Der Pauli-Effekt ist den meisten hingegen eher weniger geläufig, macht den Physiker Wolfgang Pauli aber wieder sehr menschlich und sympathisch. Einige werden diesen Effekt vielleicht sogar aus dem eigenen Leben kennen: Technische Geräte fallen aus unerklärlichen Gründen aus, wenn Wolfgang Pauli sich in ihrer Nähe befand. Sein Ruf eilte ihm dabei so weit voraus, dass ihm der Physiker Otto Stern den Zugang zu seinem Labor verbot.

Werner Heisenberg und seine Doktorprüfung

Auch bei anderen Wissenschaftsgrößen wie Werner Heisenberg, der als einer der Begründer der Quantenmeachanik gilt und ebenfalls Nobelpreisträger ist, finden sich menschliche Seiten. Jana erzählt von seiner überraschend holprigen Doktorprüfung, bei der er fast durchgefallen wäre – ausgerechnet im Bereich der Experimentalphysik. Trotz seiner herausragenden theoretischen Begabung zeigte sich, dass Heisenberg kaum Interesse und Geschick für praktische Versuche hatte. Besonders kurios: Als er die Funktionsweise eines Fabry-Perot-Interferometers erklären sollte, scheiterte er ebenso wie bei der Frage, wie eine Batterie funktioniert. Dieses Scheitern zeigt, dass selbst die größten Genies in einigen Bereichen ihre Schwächen haben – auch Wissenschaftler:innen sind eben nur Menschen.

Kary Mullis und der leuchtende Waschbär

Dass Nobelpreisträger hingegen außerhalb ihres Fachgebiets manchmal fragwürdige Thesen aufstellen können verdeutlicht Elka mit ihrer Geschichte über Kary Mullis, dem Erfinder der PCR, der neben seinen wissenschaftlichen Leistungen auch für UFO-Geschichten und andere skurrile Aussagen bekannt ist, inklusive leuchtenden Waschbären.

Buchempfehlungen für die Feiertage

Für die Feiertage haben wir noch unsere persönlichen Buchempfehlungen mitgebracht.

Carl Sagan und das kosmische Jahr

Zum Schluß werfen wir noch einen Blick auf Carl Sagan und seine beeindruckende Fähigkeit, die Weite und Komplexität des Universums verständlich zu machen. Besonders faszinierend ist sein Konzept des „kosmischen Jahres“, bei dem die gesamte Geschichte des Universums in einem einzigen Jahr dargestellt wird. Dieses Modell hilft dabei, die zeitlichen Dimensionen der kosmischen Entwicklung zu veranschaulichen – von der Entstehung der Milchstraße im Januar bis zur Menschheit, die erst in den letzten Sekunden des 31. Dezembers auftaucht. Sagan erinnert uns daran, wie klein, aber dennoch bedeutsam unsere Existenz im großen Gefüge des Kosmos ist.

Weiterführende Links und Empfehlungen:

Bibliothek Arbeiterkammer: https://www.arbeiterkammer.at/service/digitalebibliothek/AK_Bibliothek_digital.html

Carl Sagan über Klimakrise: https://www.youtube.com/watch?v=6KcoPODwvW4

Kurzgesagt Human Era: https://www.youtube.com/watch?v=czgOWmtGVGs

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Wenn die größten Objekte im Weltall kollidieren, dann passiert jede Menge. Eva und Jana reden dieses Mal über galaktische Kollisionen - denn wenn Galaxien zusammenstoßen, dann hat das Einfluss auf so gut wie alles, inklusive uns selbst. Was passiert, wenn zwei gewaltige Sternensysteme miteinander verschmelzen und was bedeutet das für das Schicksal unserer eigenen Milchstraße?

Laserman und Weltraumfrauen

Eva erzählt zu Beginn von ihrem Besuch bei der Aufzeichnung der Science Busters TV Folgen in Graz, wo sie auch die österreichische Reserveastronautin Carmen Possnig kennengelernt hat. Und erzählt von ihrer Recherche für ein Interview zum Thema "Leben auf der Raumstation". Die beiden Science Busters Folgen kann man hier und hier nachsehen.

Galaktische Kollisionen

Bevor man galaktische Kollisionen erforschen kann, hat man erst einmal herausfinden müssen, was Galaxien eigentlich sind. Das haben wir erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts getan. Henrietta Swan Leavitt hat entdeckt, wie man die Entfernung zu den "Nebeln" bestimmen kann und das hat Edwin Hubble genutzt, um zu zeigen, dass der Andromedanebel eine große Galaxie, außerhalb der Milchstraße ist, die selbst wieder nur eine von unzähligen dieser Sternensystemen im Kosmos ist.

Hubble hat die Galaxien auch anhand ihrer Form klassifiziert. Es gibt elliptische Galaxien, (Balken)Spiralgalaxien und irreguläre Galaxien. Die Milchstraße ist eine Balkenspirale, aber Spiralgalaxien sind quasi nur der Anfang. Überall im Universum kollidieren Galaxien miteinander, was jede Menge Auswirkungen hat.

Zuerst einmal auf die Form, wie man an prominenten Beispielen wie NGC 4676 (Die Mäuse) oder den Antennen-Galaxien sehen kann. Schon lange, bevor die Galaxien wirklich verschmelzen, beeinflussen sie sich mit ihrer Gravitationskraft.

Die Interaktion wirbelt auch das ganze Gas in den Galaxien durch, was zu einer verstärkten Sternentstehung führt. Immer wieder durchdringen sich die Galaxien, bis sie schließlich miteinander verschmelzen und eine große elliptische Galaxie bilden.

Es kommt aber auch vor, dass eine große Galaxie eine kleinere quasi "verschluckt". Die Spuren, die davon übrig bleiben, sind "Sternströme", also Strukturen aus Sternen, deren Dynamik sich von den normalen Sternen der großen Galaxie unterscheidet, wie zum Beispiel der Helmi-Strom, ein Rest der Verschmelzung unserer Milchstraße mit einer anderen Galaxie. Sie hat im Laufe der Zeit immer wieder kleinere Galaxien verschluckt und ist erst dadurch so groß geworden, wie sie es heute ist. Alle Galaxien wachsen - vermutlich - auf diese Weise.

Irgendwann kommt dann aber ein "major merger", also die Verschmelzung zweier annähernd gleich großen Galaxien. Unserer Milchstraße steht das in ein paar Milliarden Jahren bevor, wenn wir auf die Andromedagalaxie treffen. Dann wird zuerst unser Himmel sehr viel dramatischer werden. Und am Ende werden beide eine elliptische Galaxie gebildet haben, die man heute schon "Milkomeda" nennt. Wie das aussehen könnte, kann man sich hier ansehen.

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CL047 Das perfekte Universum: Kann das alles Zufall sein?

Es ist so wie es ist, weil wenn es anders wäre, dann wäre es anders. Das klingt trivial, ist es aber nicht, wenn es um das Universum geht. Warum ist das Universum genau so, wie es ist? Warum haben die Naturkonstanten genau die Werte, die sie haben und warum sind das noch dazu Werte, die dafür sorgen, dass menschliches Leben existieren kann. Denn wenn die Konstanten nur leicht andere Werte hätten, könnte es keine Sterne, keine Planeten und damit auch kein Leben geben. Dieses Phänomen nennt sich die "Feinabstimmung des Universums" und in der neuen Folge von "Cosmic Latte" gehen wir auf die Suche nach der Ursache.

Der feministische Adventskalender

Elka hat gemeinsam mit einigen Followern von @thesciencyfeminist einen "feministischen Adventskalender" gebastelt, den ihr bestellen hättet können, aber mittlerweile nicht mehr bestellen könnt. Aber dafür vielleicht gewinnen, wenn ihr euch per Mail bei uns meldet.

Feedback zu ADHS

Die Folge über ADHS hat euch zu jeder Menge Feedback angeregt, was uns enorm gefreut hat. Es gab eine Erwähnung im Podcast "Captain, it's Wednesday" und sehr viele Kommentare und Mails, die wir natürlich auch besprechen. Uns ist aber vor allem wichtig zu wiederholen, dass ADHS eine eine komplexe neurologische Störung mit psychischen und sozialen Auswirkungen ist. Es lässt sich im Gehirn messen, auch wenn die Diagnose meist über Verhaltenskriterien erfolgt.

Die Feinabstimmung des Universums

Elka hat sich vom Buch "Kann das alles Zufall sein? Geheimnisvolles Universum" von Heinz Oberhummer inspirieren lassen und sich das Thema der Feinabstimmung des Universums angesehen. Dieser Begriff beschreibt, wie scheinbar präzise die fundamentalen Naturkonstanten und physikalischen Bedingungen aufeinander abgestimmt sein müssen, damit Leben, wie wir es kennen, entstehen kann.

Dazu gehören zum Beispiel die Gravitationskonstante. Die Kraft der Gravitation hält Sternen und Planeten zusammen. Wäre sie nur minimal anders, könnten entweder keine Himmelskörper entstehen oder alles würde zu schwarzen Löchern kollabieren. Auch die starke Wechselwirkung muss den richtigen Wert haben. Sie wirkt im Atomkern und sorgt dafür, dass Protonen und Neutronen zusammenhalten. Schon kleinste Abweichungen könnten stabile Atomkerne unmöglich machen. Auch die Elektronenmasse und ihr Verhältnis zur Protonenmasse ist entscheidend für die Stabilität von Molekülen und damit für komplexe chemische Prozesse wie die DNA-Struktur. Oder die Geschwindigkeit mit der das Universum expandiert. Läuft das zu schnell, und es können sich keine Galaxien bilden; geht es zu langsam, würde alles wieder in sich zusammenfallen.

Besonders interessant ist der sogenannte Triple-Alpha-Prozess in Roten Riesen. Dabei entsteht Kohlenstoff, ein zentrales Element für Leben, unter extrem unwahrscheinlichen Bedingungen. Dieser Prozess funktioniert nur, weil die Naturkonstanten perfekt abgestimmt sind. Der Physiker Heinz Oberhummer hat das als „das Nadelöhr für das Leben“ bezeichnet, wissenschaftlich auf diesem Gebiet geforscht ("Stellar Production Rates of Carbon and Its Abundance in the Universe") und wurde dafür sogar für den Nobelpreis nominiert (vermutlich).

Unser Universum ist offensichtlich genau so, wie ein Universum sein muss, damit wir Menschen darin existieren können. Aber was ist der Grund dafür? Es gibt mehrere mögliche Erklärungen für die Feinabstimmung:

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In dieser Folge werfen Eva und Jana einen Blick auf das beeindruckende Leben der Physikerin Lise Meitner und ihren Beitrag zur Entdeckung der Kernspaltung. Wir besprechen, was Kernspaltung ist und erörtern die bedeutenden Auswirkungen von Meitners Arbeit auf Physik und Astronomie.

Einleitung

In dieser Episode von Cosmic Latte spricht Eva mit Jana über ihre beeindruckende Reise nach Japan. Die Beiden diskutieren die Vielfalt der japanischen Kultur, von den hochmodernisierten Großstädten bis hin zu den traditionellen Tempeln.

Lise Meitner und die Kernspaltung

Im Hauptthema der Episode widmet sich Eva der österreichischen Physikerin Lise Meitner und ihrer Rolle bei der Entdeckung der Kernspaltung.

Geboren am 7. November 1878 in Wien, kämpfte Meitner gegen die Hindernisse ihrer Zeit, um als Frau Physik zu studieren und eine wissenschaftliche Karriere zu verfolgen. Aufgrund der damaligen Restriktionen konnte sie erst 1901 ihr Physikstudium beginnen und promovierte als zweite Frau in Physik in Wien.

Nach ihrem Abschluss und ihrer Promotion in Wien zog sie 1907 nach Berlin, wo sie mit dem Chemiker Otto Hahn eine produktive Zusammenarbeit begann. Zusammen forschten sie über die Struktur schwerer Atomkerne und ihre Reaktionen unter Neutronenbeschuss, ein Thema, das in der physikalischen Gemeinschaft viel Aufmerksamkeit erhielt.

Die bahnbrechende Erkenntnis kam schließlich beim Spaziergang mit ihrem Neffen Frisch, der ebenfalls Physiker war: Der Uran-Kern könnte durch die Aufnahme eines Neutrons in zwei nahezu gleich große Teile zerfallen, was enorme Mengen Energie freisetzt. Meitners Berechnungen zeigten, dass dieser Zerfall etwa 200 Millionen Elektronenvolt (MeV) pro Kernspaltung freisetzt – ein Resultat, das später zur Grundlage der Nutzung der Kernkraft wurde.

Doch trotz ihrer wesentlichen Beiträge wurde Meitner bei der Verleihung des Nobelpreises 1944 übergangen, der allein an Otto Hahn ging. Sie selbst war 49-mal für den Nobelpreis nominiert, erhielt ihn aber nie, was angesichts ihrer Leistung nicht nachvollziehbar ist.

Nach dem Zweiten Weltkrieg setzte sich Meitner in Großbritannien für die friedliche Nutzung der Kernenergie ein und erhielt posthum große Anerkennung, wie die Benennung des Elements Meitnerium. Ihre Forschung beeinflusste nicht nur die Physik, sondern auch die Astronomie: Lise Meitners Entdeckung der Kernspaltung hat indirekt großen Einfluss auf unser Verständnis des Universums. Ihre Forschung an der Struktur des Atomkerns und die Erkenntnis, dass schwere Kerne in leichtere zerfallen und dabei enorme Mengen an Energie freisetzen, legten die Grundlage für das Verständnis der Prozesse die in Sternen ablaufen. Die Mechanismen, die Meitner und ihre Kollegen entdeckten, sind entscheidend für die Nukleosynthese – also die Bildung von Elementen in Sternen und Supernovae. In diesen extremen astrophysikalischen Umgebungen werden durch Fusion und Spaltung die schweren Elemente gebildet, die heute in unserem Universum existieren. Meitners Arbeiten trugen so entscheidend zur nuklearen Astrophysik bei, einem Bereich, der für die Entstehung und Entwicklung von Sternen und Galaxien zentral ist.

Filmempfehlung:

Einstein Junior, Australien 1988, aktuell auf Amazon erhältlich

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