Sternengeschichten

Sternengeschichten Folge 424: Röntgenastronomie

Astronomie ist super. Das kommt jetzt vermutlich wenig überraschend, denn immerhin erzähle ich ja schon seit 423 Folgen was das Universum an spannenden Geschichten zu bieten hat. Was aber nichts am grundlegenden Befund ändert: Die Astronomie ist super. Denn so gut wie alles im Universum ist wahnsinnig weit weg. Normalerweise sollte man davon ausgehen, dass man gar nichts über Objekte herausfinden kann, die hundertausende, Millionen oder Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Können wir aber! Weil die Astronomie super ist.

Und keine Sorge, ich höre schon wieder auf mit der Lobhudelei. Sondern erkläre, wie genau die Astronomie es schafft, so super zu sein wie sie ist. Vor allem deswegen, weil sie extrem gut schauen kann. Das ist ja auch das einzige, was der Astronomie übrig bleibt. Direkt erforschen kann man die Phänomene im Universum nur sehr selten; gerade einmal ein paar Himmelskörper in unserem eigenen Sonnensystem haben wir mit Raumsonden vor Ort untersucht. Alles andere müssen wir aus der Ferne anschauen. Und die Astronomie hat gelernt, das besser zu tun als alle anderen. Jahrtausendelang blieb den Menschen nur die Untersuchung des normalen Lichtn der Sterne und als Beobachtungsinstrument hatte man nur die eigenen Augen. Dann kam das Teleskop. Und später fand man heraus, dass da noch viel mehr Licht zu sehen ist. Darüber habe ich in den Sternengeschichten ja schon oft gesprochen. Über die Infrarotstrahlung, die Ultraviolettstrahlung und so weiter; über all den Rest des sogenannten "elektromagnetischen Spektrums". All das ist Licht, von dem unsere Augen nur einen kleinen Teil wahrnehmen können.

Die künstlichen Augen der Astronomie können aber auch den Rest sehen. Und über einen sehr faszinierenden Teil dieses Rests und dessen Beobachtung geht es heute: Die Röntgenastronomie. Röntgenstrahlung kennen wir aus dem Alltag vor allem dann, wenn wir aus medizinischen Gründen damit beleuchtet werden. Oder besser gesagt: Durchleuchtet. Denn das aus medizinischer Sicht besondere an dieser Strahlung ist ja die Tatsache, dass es menschlisches Gewebe (und andere Stoffe) leicht durchdringen kann; von dichteren Objekten wie unseren Knochen aber absorbiert wird. Ein Röntgenbild zeigt uns also, wie wir innendrin ausschauen. Über die Entdeckung der Röntgenstrahlung will ich heute nicht reden; obwohl das auch eine sehr faszinierende Geschichte ist. Stattdessen schauen wir uns die Strahlung selbst ein wenig genauer an.

Sie kann unseren Körper deswegen durchdringen, weil ihre Wellenlänge sehr klein ist. Normales Licht hat Wellen die 430 bis 640 Nanometer groß sind; also ein paar hundert Milliardstel Meter. Das ist schon ziemlich wenig, aber Röntgenstrahlen sind noch viel kurzwelliger. Ihre Wellenlängen liegen zwischen 10 Pikometern und 10 Nanometern. Also zwischen einem 10 Billionstel Meter und einem 10 Milliardstel Meter. Obwohl es bei Röntgenstrahlung üblich ist, nicht die Wellenlänge anzugeben sondern die Energie. Lichtwellen haben ja auch eine Energie und zwar um so mehr, je kürzer ihre Wellenlänge ist. In dem Fall geht es um Werte zwischen circa 0,1 und 500 Kiloelektronenvolt. Und ein Elektronenvolt ist die Menge an Energie um die sich die Bewegungsenergie eines Elektrons verändert, wenn es durch ein elektrischen Feld mit einer Spannung von einem Volt fliegt. Die Energie von normalen, also für unsere Augen sichtbaren Licht liegt circa zwischen 1,5 und 3,3 Elektronenvolt. Bei Röntgenstrahlen geht es aber um KILOelektronenvolt, also tausend mal so viel Energie. Die etwas langwelligere Röntgenstrahlung mit niedrigeren Energie von weniger als 2 keV wird oft auch als "weiche" Röntgenstrahlung bezeichnet; die Strahlung mit mehr Energie als "harte" Röntgenstrahlung.

Bleiben noch zwei Fragen: Was im Universum erzeugt eigentlich Röntgenstrahlung und wie beobachtet man das? So gut wie alles und sehr schwer!, wäre die kurze Antwort. Das Problem bei der Beobachtung von Röntgenstrahlung aus dem All liegt darin, dass sie unsere Erdatmosphäre nicht durchqueren kann. Beziehungsweise ist das nur ein Problem für die Astronomie; ansonsten ist das schon ok - denn zuviel der hochenergetischen Strahlung ist für Lebewesen durchaus gefährlich. Es ist also gut dass wir auf der Erde davor geschützt sind und die vielen Luftmoleküle die Strahlung absorbieren anstatt bis zum Boden durchzulassen. Aber wenn wir sie beobachten wollen, braucht es eine Lösung. Die fand sich aber erst spät. Schon in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts gab es Vermutungen dass zum Beispiel auch unsere Sonne Röntgenstrahlung abgibt; das war etwa eine Idee der der amerikanische Physiker Edward Olson Hulburt 1938 hatte. Aber niemand kam so weit nach oben um auch konkret nachschauen zu können. Das gelang erst nach dem zweiten Weltkrieg als man in Amerika die in Deutschland erbeuteten V2-Raketen auch zu wissenschaftlichen Zwecken einsetzen konnte.

Die echte Röntgenastronomie begann am 5. August 1948 als genau so eine Rakete von einem Startplatz in New Mexico aus ins All flog. Mit an Bord war ein Detektor für Röntgenstrahlung und der tat was er sollte, nämlich detektieren. Allerdings nur kurz, denn die Rakete hat nur einen kurzen Ausflug gemacht. Sie hat eine Höhe von 166 Kilometern erreicht und fiel danach wieder zurück auf die Erde. Aber weitere Raketen mit weiteren Detektoren folgten und man konnte einwandfrei nachweisen, dass die Sonne auch im Röntgenlicht leuchtet. Was nicht überraschend ist, denn die Sonne ist heiß. Vor allem ihre äußerste Atmosphärenschicht, die Korona über die ich schon in Folge 134 ausführlich gesprochen habe. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen dort. Wenn jetzt zum Beispiel sehr schnelle Elektronen mit anderen Atomen kollidieren, dann werden sie abgebremst. Dabei geben sie Energie in Form von Strahlung ab, die passenderweise "Bremsstrahlung" genannt wird und diese Strahlung ist kurzwellige Röntgenstrahlung. Man kann aber auch Atome dazu bringen, Röntgenstrahlung abzugeben: Steckt man jede Menge Energie in ein Atom hinein, dann können die Elektronen aus der Atomhülle herausgelöst werden. Sie sind dann nicht mehr an den Atomkern gebunden und das Atom wird "ionisiert" genannt. In die freigewordenen Plätze können andere Elektronen "hineinfallen" und auch dabei wird Energie abgegeben und wieder in Form von Röntgenstrahlung.

Man kriegt im Universum also immer dann Röntgenstrahlung wenn irgendwo hohe Temperaturen und große Energien involviert sind. Was in der Korona der Sonne der Fall ist. Aber nicht nur dort. 1962 wollte man schauen, wie denn der Mond so im Röntgenlicht aussieht. Der ist natürlich nicht heiß, reflektiert aber erstens die Strahlung der Sonne. Und wenn Röntgenstrahlung von der Sonne auf die Mondoberfläche trifft können dort interessante Prozesse stattfinden die man genauer erforschen wollte. Also schoß man wieder einen Röntgendetektor mit einer Rakete ins All. Das mit dem Röntgenbild des Mondes hat nicht geklappt. Dafür fand man aber überraschenderweise eine andere Quelle von Röntgenstrahlung, und zwar im Sternbild Skorpion. Deswegen hat man das Ding auch "Scorpius X-1" genannt, die erste Röntgenquelle (auf englisch "X-Rays") im Skorpion. Es war auch die erste Röntgenquelle außerhalb des Sonnensystems die man überhaupt finden konnte und der italienisch-amerikanische Astronom Riccardo Giacconi hat dafür - und für jede Menge weitere Forschung zur Röntgenastronomie - im Jahr 2002 den Nobelpreis für Physik bekommen. Davor musste aber erstmal erklärt werden, was denn da im Skorpion leuchtet. Ein Doppelstern nämlich; bzw. ein ehemaliger Doppelstern. Der eine Stern hat sein Leben schon beendet und ist zu einem Neutronenstern geworden, ein extrem kompakter Sternenrest mit enorm hoher Dichte und einer enorm starken Gravitationskraft in seiner unmittelbaren Umgebung. Damit zieht er Material vom noch übrig gebliebenen zweiten Stern ab, dass sich in einer Scheibe um den Neutronenstern sammelt und angetrieben von dessen Gravitationskraft extrem schnell herumwirbelt. Das verursacht Röntgenstrahlung und genau die hat man 1962 beobachtet.

Bis 1970 hatte man circa 40 Röntgenquellen im Universum gefunden. Und dann kam "Uhuru", der erste echte Röntgensatellit. Die NASA hat ihn am 12. Dezember 1970 ins All geschickt wo er bis 1973 in Betrieb blieb und erstmals den gesamten Himmel im Röntgenlicht abgesucht hat. Dabei wurden insgesamt 300 Röntgenquellen gefunden. Man sah weitere Röntgendoppelsterne wie Scorpius X-1; man sah aber auch das extrem heiße und extrem dünne Gas zwischen fernen Galaxien im Röntgenlicht leuchten. Die Technik von Uhuru war simpel: Der Detektor bestand aus einer Bleiplatte mit Löchern und dahinter waren Sensoren. Was aber auch heißt das nur diejenigen Röntgenstrahlen gemessen werden konnten die genau durch so ein Loch auf einen Sensor gefallen sind. Das Prinzip eines Teleskops besteht aber darin, dass man viele verschiedenen Lichtstrahlen mit einem optischen System so umlenkt und auf einen einzigen Punkt konzentriert, dass man deutlich mehr und besser sehen kann als nur mit den Augen. Das geht mit normalen Licht auch sehr gut, auch noch mit Infrarotstrahlung, Radiostrahlung oder UV-Strahlung. Röntgenstrahlen lassen sich mit normalen Spiegeln aber nicht mehr kontrollieren. Sie würden einfach durchgehen oder absorbiert werden. Deswegen verwendet man hier eine Konstruktion die nach ihrem Erfinder, dem deutschen Physiker Hans Wolter als "Wolter-Teleskop" bezeichnet wird. Wenn ein Röntgenstrahl unter einem sehr flachen Winkel auf einen Spiegel trifft, dann kann er tatsächlich reflektiert werden. Um die Lichtausbeute zu erhöhen muss man aber die richtigen Spiegel mit den richtigen Formen auf die richtige Weise zusammenbasteln. Simpel gesagt besteht ein Wolter-Teleskop aus mehreren unterschiedlich gekrümmten Spiegeln die mehrfach ineinander verschachtelt sind. So erhöht man die Chance, dass ein Röntgenstrahl gerade im richtigen Winkel auf einen der Spiegel trifft und passend abgelenkt werden kann.

Die Wellenlänge der Röntgenstrahlung ist klein und je kürzer die Wellenlänge, desto glatter muss die Oberfläche des Spiegels sein. Bei Wolter-Teleskopen dürfen die Ungenauigkeiten nur wenige Millionstel Millimeter betragen und deswegen hat es auch bis 1978 gedauert bis das "Einstein Observatorium" ins All flog und das erste Wolter-Teleskop an Bord hatte. Mittlerweile ist die Technik ausgereift und im Laufe der Jahre haben wir einige große Röntgenobservatorien in den Weltraum verfrachtet. Zum Beispiel "XMM-Newton" und "Chandra", die beide im Jahr 1999 ins All geflogen sind. XMM-Newton hat die Europäische Raumfahrtagentur ESA gebaut und hat gleich drei Wolter-Teleskope mit dabei, die jeweils aus 58 ineinander verschachtelten Spiegelschalen bestehen von denen die größte einen Durchmesser von 70 cm hat. Chandra hat vier Paare an verschachtelten Spiegeln von denen der größte 123 cm durchmisst.

Wir haben das Universum mittlerweile auch im Röntgenlicht genau beobachtet. Wir haben damit die Zentren ferner Galaxien gesehen, wo Unmengen an heißem Gas um gewaltige schwarze Löcher wirbelt. Wir haben kleine schwarze Löcher in unserer eigenen Milchstraße beobachtet die ihre Partnersterne langsam auffressen. Wir haben das dünne Gas zwischen den Sternen und den Galaxien erforscht und die Eruptionen auf der Sonne und anderen Sternen. Wir haben die Geburt von Sternen beobachtet und ihren Tod. Immer wenn die Dinge irgendwo im Universum besonders schnell, heiß oder explosiv werden leuchtet Röntgenlicht auf. Und wir haben die passenden Augen, um es zu sehen. Astronomie ist super.

Mit dieser Folge nehme ich am Wettbewerb Fast Forward Science 2021/22 teil. #audiospezial

Sternengeschichten Folge 423: Die Feinabstimmung des Universums

Heute geht es um die Feinabstimmung des Universums. Das klingt ein wenig seltsam. Ist aber eigentlich nichts anderes ist als die Verwunderung darüber, dass alles irgendwie super ist. Was jetzt natürlich noch ein wenig erläutert werden muss. Mit "super" sind die Bedingungen im Universum in seiner Gesamtheit gemeint, nicht das Alltagsleben der Menschen. Da ist natürlich nicht immer alles super; das hat aber auch nichts mit Astronomie zu tun (oder nur sehr selten).

Es geht um die Beobachtung, dass unser Universum überraschend gut dafür geeignet ist, um als Mensch darin zu wohnen. Und dass es auch ganz anders sein hätte können. Dass es sogar sehr viel wahrscheinlicher ist, dass es nicht so gut für uns Menschen geeignet ist wie es ist. Das waren jetzt drei "ist"; die Feinabstimmung des Universums hat aber eigentlich viel mehr mit "könnte" zu tun als mit "ist". Aber bevor ich noch weiter so unkonkret herumerzähle schauen wir uns lieber mal ein Beispiel an.

Sterne! Dass wir die im Universum haben ist ziemlich praktisch. Ohne einen Stern hätten Planeten nichts um das sie kreisen könnten. Ohne einen Stern hätte ein Planet nicht ausreichend Licht und Wärme um Leben zu entwickeln. Und ohne Sterne gäbe es im Universum auch nichts, abgesehen von Wasserstoff und Helium. Denn das waren ja die einzigen chemischen Elemente die direkt beim Urknall entstanden sind; der ganze Rest ist erst durch Kernfusion im Inneren von Sternen entstanden. Auch der Kohlenstoff, aus dem wir Menschen zu einem großen und relevanten Teil bestehen und auch alle anderen uns bekannten Lebewesen. Ohne Kohlenstoff kein Leben, ohne Sterne keinen Kohlenstoff. Sterne haben wir deswegen im Universum, weil die überall im Kosmos verteilten Wolken aus Wasserstoff und Sauerstoff unter ihrer eigenen Gravitationskraft in sich zusammengefallen sind; immer dichter und heißer wurden bis irgendwann dort die Kernfusion eingesetzt hat. Und das wiederum hat nur funktioniert, weil die Gravitationskraft ausreichend stark ist, dass die Wolken zusammenfallen können. Ansonsten wäre das Zeug einfach weiter durchs All gewabert ohne das irgendwann irgendwas passiert und das ganze Universum würde nur aus Wassestoffwolken bestehen. Damit ein Stern, sofern er mal entstanden ist in seinem Inneren neue chemische Elemente wie Kohlenstoff machen kann, müssen auch die Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen den Atomkernen genau passen. Sonst fusioniert nichts. Oder es kommen andere Elemente dabei raus und kein Kohlenstoff. Das Universum hätte sich aber auch nach dem Urknall viel schneller ausdehnen können als es dass getan hat. Dann hätten sich überhaupt keine Wolken gebildet aus denen Sterne entstehen hätten können; dann wäre die ganze Materie extrem im Raum verdünnt worden.

Und so weiter. Es gibt viel mehr Beispiele und ich werde bald davon erzählen. Aber genau das ist es, worum es geht: Die grundlegenden Eigenschaften unseres Universums; die Naturkonstanten die quasi "von Werk" eingebaut sind, passen erstaunlich gut zusammen. Wären sie nur ein bisschen anders als sie es sind, dann wäre das Universum ein Universum in dem keine Sterne und kein Leben existieren könnten. Das ist erstaunlich; das ruft nach einer Erklärung und nach der sucht die Wissenschaft (aber auch andere Disziplinen) schon seit einiger Zeit.

Der erste dem die Sache mit dem überraschend gut für uns eingerichteten Kosmos aufgefallen ist (oder zumindest der erste, der sich damit nachweislich im modernen Sinn wissenschaftlich auseinandergesetzt hat), war der amerikanische Chemiker und Biologe Lawrence Joseph Henderson. Er hat 1913 ein Buch mit dem Titel "The Fitness of the Environment" veröffentlicht. Auf mehr als 300 Seiten legt er dar wie gut wir es mit unserer Umgebung getroffen haben. Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff sind alle genau so beschaffen, dass daraus Leben entstehen kann. Wasserstoff und Sauerstoff können sich zu Wasser verbinden und ohne das gäbe es kein Leben. Jede Menge unterschiedliche chemische Elemente haben unabhängig voneinander genau die Eigenschaften die es braucht um Leben hervorzubringen. Henderson schreibt "Es gibt keine nennenswerte Wahrscheinlichkeit dass diese einzigartigen Eigenschaften grundlos organische Abläufe begünstigen sollten. Das sind keine bloßen Zufälle, eine Erklärung muss gesucht werden."

Und je mehr die Wissenschaft das Universum erforscht hat, desto größer wurde der Drang eine solche Erklärung zu finden. Nehmen wir zum Beispiel die Feinstrukturkonstante. Das ist eine grundlegende Naturkonstante die angibt wie stark die elektromagnetische Kraft im Vergleich zu den anderen Grundkräften des Kosmos (wie etwa der Gravitation ist). Ihr Wert beträgt circa 1/137 und kann aus anderen Konstanten berechnet werden; zum Beispiel der elektrischen Ladung eines Elektrons, der Lichtgeschwindigkeit und so weiter. Eine ähnliche Rechnung kann man auch für die Stärke der Gravitationskraft machen und kommt zu dem Ergebnis, dass die elektromagnetische Kraft 10 hoch 36 mal stärker ist als die Gravitation. Oder wer es gerne mit echten Namen hören will: Der Elektromagnetismus ist eine Sextillion mal stärker als die Gravitation. Das ist gut so. Denn Atome und Moleküle halten genau durch die sehr starke elektromagnetische Kraft so zusammen wie sie es tun. Die zwischen einzelnen Atomen wirkende Gravitationskraft ist dagegen so enorm schwach, dass man sie quasi vernachlässigen kann. Die Gravitation fällt nur dann auf, wenn man es mit wirklich großen Massen zu tun hat; mit Planeten, Sternen und so weiter. Würden sich einzelne Atome ähnlich stark durch Gravitation anziehen wie sie sich durch Elektromagnetismus anziehen (oder abstoßen, was da ja möglich ist; bei der Gravitation aber nicht), dann würde die ganze Chemie so wie wir sie kennen nicht mehr funktionieren. Warum aber die Gravitation so enorm viel schwächer ist, wissen wir nicht.

Allzu viel Spielraum hat man bei der Auswahl der grundlegenden Konstanten nicht. Dazu können wir uns den "Drei-Alpha-Prozess" anschauen. Das ist etwas, das bei Sternen dann passiert, wenn sie sich ihrem Lebensende nähern. Sie haben dann in ihrem Inneren durch Kernfusion schon jede Menge Helium erzeugt und sind heiß genug geworden, dass drei dieser Heliumatome zu Kohlenstoff verschmelzen können. Das geht aber nicht direkt; dazu muss der Stern einen Umweg über das Element Beryllium nehmen. Zwei Heliumatomkerne fusionieren zuerst zu Beryllium und das Beryllium mit einem dritten Heliumkern zu Kohlenstoff. Das sollte eigentlich nicht klappen, weil Beryllium sehr instabil ist und deswegen in Sekundenbruchteilen wieder zerfällt. Die weitere Fusion zu Kohlenstoff ist nur aufgrund einer "Resonanz" möglich. Das im Detail zu erklären würde zu weit führen. Aber es geht darum, dass Atomkerne einfacher verschmelzen können, wenn ihre Energien gut zusammenpassen. Und die Energie von Beryllium und Helium ist ziemlich exakt so groß wie die eines Kohlenstoffatoms. Allerdings eines "angeregten Zustands" des Kohlenstoffs, was heißt, dass der Kern ein bisschen mehr Energie hat als er normalerweise haben würde. Aber man kann - zum Beispiel durch Zusammenstöße - die Energie von Atomkernen erhöhen. Das geht aber nur in ganz bestimmten Schritten; man kann nicht einfach beliebige Mengen an Energie in einen Kern stecken. Diese Energie gibt der Kern dann auch wieder ab, aber der angeregte Energiezustand prinzipiell möglich ist und zur Energie von Beryllium und Helium passt, kann die Fusion zu Kohlenstoff stattfinden. Und auch hier sehen wir wieder: Alles passt überraschend gut zusammen und auch das hängt von den exakten Werten der Naturkonstanten ab. Würde man die Stärke der elektromagnetischen Kraft ändern oder die der starken Kernkraft zwischen den Teilchen aus denen die Atomkerne bestehen, dann würde man Probleme kriegen. Wären die Kräfte um 4 beziehungsweise 0,5% stärker/schwächer als sie es sind, dann würde kein Kohlenstoff und kein Sauerstoff produziert werden können ("Stellar Production Rates of Carbon and Its Abundance in the Universe").

Beispiele gäbe es noch jede Menge. Zum Beispiel: Unser Universum hat drei ausgedehnte Raumdimensionen. Wären es stattdessen vier oder fünf, dann könnten sich weder Planeten stabil um Sterne herumbewegen, noch könnten sich stabile Atome bilden. Warum wir genau drei Raumdimensionen haben ist allerdings völlig unbekannt. Wir wissen das es so ist. Aber nicht warum. Die fundamentalen Konstanten die das Universum so machen, wie es ist, haben genau die Werte die es braucht, damit wir darin leben können. Das ist gut für uns - aber es bleibt die Verwunderung, warum alles so fein abgestimmt ist. Man kann die Sache natürlich einfach ignorieren. Bzw. sagen: Es ist kein Wunder das es so ist wie es ist. Weil wenn es anders wäre, dann wären wir auch nicht da um uns darüber zu wundern wie es ist. Das ist zwar ein prinzipiell logischer Gedankengang. Aber auch nicht sonderlich hilfreich.

Eine andere Möglichkeit wäre einfach eine ganze Vielfalt an Universen zu postulieren. Es könnte jede Menge Universen, also ein "Multiversum" geben. Jedes hat bei seiner Entstehung zufällig irgendwelche Konstanten bekommen. Und wir leben logischerweise in einem, in dem alles gerade so passt das Leben möglich ist. Diese Erklärung funktioniert ja anderswo recht gut. Das Universum ist voll mit Planeten auf denen jede Menge unterschiedliche Bedingungen herrschen. Manche davon sind lebensfeindlich; manche lebensfreundlich und wir leben logischerweise auf einem, auf dem Leben entstehen können. Man muss sich daher auch nicht wundern, dass wir gerade auf der Erde wohnen und nicht am Mars oder der Venus. Beim Multiversum ist die Sache aber komplizierter. Denn im Gegensatz zu den vielen verschiedenen Planeten haben wir bis jetzt noch nicht einmal die Spur eines Belegs dafür, dass es mehr als ein Universum gibt. Und wir wissen, wie und warum unterschiedliche Planeten entstehen. Wir wissen allerdings nicht, wie Universen entstehen und wieso ein Multiversum gerade so entstehen sollte, dass am Ende mindestens ein lebensfreundliches Universum mit dabei ist. Dieser Ansatz verlagert die Sache also nur.

Man kann sich auch - und das ist vermutlich eine sehr wahrscheinliche Variante - auf unser Unwissen ausreden. Wir kennen zwei unterschiedliche Theorien die das Universum grundlegend beschreiben: Die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie. Mit beiden können wir den Kosmos gut beschreiben; in beide Theorien müssen wir die meisten Werte für die Konstanten aber einfach einsetzen. Außerdem ist uns klar, dass hier noch nicht Schluss sein kann; es muss eine (oder mehrere) Theorien geben die über Quantenmechanik und Relativitätstheorie hinaus gehen da die beiden für sich genommen nicht das leisten können, was sie leisten sollten. Die Quantenmechanik ist zum Beispiel nicht in der Lage zu beschreiben wie sich Elementarteilchen gegenseitig durch Gravitation beeinflussen. Wir brauchen eine Theorie, die Atome und Sterne gleichzeitig beschreiben kann; wir brauchen eine Quantentheorie der Gravitation und die haben wir nicht. Aber wenn wir sie einmal finden sollten: Dann erklärt sich damit vielleicht, dass die Feinabstimmung nur eine scheinbare ist und dass es gar keine andere Möglichkeit für ein Universum gibt als so zu sein, wie es ist.

Man könnte auch das tun, was wir Menschen immer schon gerne getan haben: Unsere Probleme auf übernatürliche Wesen abzuladen. Wenn das Universum "wie für uns gemacht" aussieht, dann HAT es vielleicht auch jemand für uns gemacht. Vielleicht sind wir nur Teil einer Simulation die irgendwelche gottähnlichen Aliens laufen lassen? Oder vielleicht hat tatsächlich irgendein Schöpfer den Kosmos geschöpft und dabei so lange an den Knöpfen gedreht damit es seiner Schöpfung darin auch gut geht. Obwohl dass das Problem natürlich auch nicht löst. Denn einerseits muss ein Schöpfer der ein Universum so auf uns Menschen abstimmen kann selbst ein ziemlich komplexes Wasauchimmer sein dessen Existenz eine noch kompliziertere Erklärung benötigt als ein feinabgestimmtes Universum. Und andererseits könnte ein Schöpfer der in Lage ist ein ganzes Universum aus dem Nichts zu schaffen darin einfach auch ein paar fixfertige Sterne reinwerfen. Oder große Haufen an Kohlenstoff; den Umweg über den komplizierten Drei-Alpha-Prozess könnte man sich sparen. Was wäre das für ein Schöpfer, der nicht in einem lebensfeindlichen Universum irgendwo eine nette Ecke für uns Menschen freiräumen könnte?

Vielleicht - und das halte ich für die wahrscheinlichste Möglichkeit - ist das Universum aber auch gar nicht so feinabgestimmt wie wir denken. Man kann zumindest zeigen ("Natural Explanation For The Anthropic Coincidences" (pdf)) dass man durchaus auch Sterne in Universen kriegt die andere Naturkonstanten haben als unseres hat. Die leben dann vielleicht ein wenig kürzer oder länger als sie es hier tun. Aber sie sind da. Und wer sagt denn, dass Leben exakt so funktionieren muss wie wir das tun? Klar, wir wissen nicht wie Leben noch funktionieren könnte und können deswegen wissenschaftlich seriös wenig darüber sagen. Aber es kann durchaus sein, dass andere Kombinationen von Naturkonstanten zu Universen führen die vielleicht für UNS lebensfeindlich sind. Aber für andere Arten von Leben genau passen. Und dann würden die rumsitzen und sich wundern, warum alles so super ist. Am Ende bleibt es also vorerst dabei: Es ist so wie es ist, weil wenn es anders wäre, wäre es anders.

Sternengeschichten Folge 422: Das Maunder-Minimum

Heute geht es wieder einmal um die Sonne. Und um etwas, das die Sonne ab und zu macht: Nämlich faul sein. Sie hört nicht auf zu scheinen; das macht sie seit 4,5 Milliarden Jahren netterweise sehr kontinuierlich. Aber es gibt immer wieder Phasen, in denen sie wenig aktiv ist. Über diese "Sonnenaktivität" habe ich ja schon vor langer Zeit in Folge 10 der Sternengeschichten ausführlich gesprochen.

Die Sonne ist wesentlich komplizierter als eine gewaltige Glühbirne am Himmel. Sie ist eine große Kugel aus enorm heißen Gas. Gas, das einerseits ständig in Bewegung ist. Andererseits aber auch in der Lage elektrische und magnetische Ströme zu produzieren. Bei den Temperaturen im Sonneninneren können sich die Elektronen die normalerweise an die Atomkerne gebunden sind nicht mehr halten. Das Gas der Sonne ist ein "Plasma", also ein Gas in dem die elektrisch negativ geladenen Elektronen und die elektrisch positiv geladenen Atomkerne getrennte Wege gehen. Diese Bewegung erzeugt die elektromagnetischen Felder. Die elektromagnetischen Felder beeinflussen aber ihrerseits wieder die Bewegung des Gases. Es ist ein enormes, chaotisches Wirrwarr das wir immer noch nicht komplett verstanden haben.

Was wir aber wissen: Die elektromagnetischen Phänomene haben Auswirkungen auf die Sonne. Dort wo die Magnetfelder besonders stark sind, kann heißes Plasma aus dem Sonneninneren nicht so gut an die Oberfläche aufsteigen weswegen man dort dunkle "Sonnenflecken" sehen kann. Wenn die geladenen Ströme zu wild durcheinander strömen, dann kommt es - vereinfacht gesagt - zu Kurzschlüssen bei denen enorme Energieen frei werden. Bei diesen Explosionen kann Material aus der Sonne in den Weltraum geschleudert werden. Wenn das auf das Magnetfeld der Erde und ihre Atmosphäre trifft, können wir zum Beispiel Polarlichter beobachten. Aber darum soll es heute nicht gehen - sondern um Forschung, die im 17. Jahrhundert mit der Erfindung des Teleskops begonnen hat. Beziehungsweise eigentlich schon viel früher.

Es gab schon früher immer wieder Berichte von dunklen Flecken auf der Sonne. Die Sonne kann man mit freiem Auge aber nur schlecht beobachten. Beziehungsweise geht das eigentlich recht gut, die Sonne ist kaum zu übersehen. Aber sie ist so hell, dass man sie nicht wirklich gut ansehen kann und wenn man es trotzdem probiert, ist das nicht sonderlich gut für die Augen. Aber als Teleskope - und passende Filter! - zur Verfügung standen, beobachteten die Menschen Sonnenflecken. Im 17. und 18. Jahrhundert hat man diese Flecken zwar aufgezeichnet - aber sie nicht wirklich systematisch untersucht. Was einen guten Grund hat, zu dem wir später noch kommen werden. 1825 aber begann der deutsche Apotheker Samuel Heinrich Schwabe die Sonne regelmäßig zu beobachten und ebenso regelmäßig die Zahl der Sonnenflecken aufzuzeichnen. Und fand heraus, dass die sich periodisch ändert. Dieser "Schwabe-Zyklus" wurde später vom Schweizer Astronom Rudolf Wolf wissenschaftlich exakt festgelegt und wir wissen nun, dass die Zahl der Sonnenflecken, die ein Maß für die Sonnenaktivität ist, mit einer Periode von circa 11 Jahren größer und kleiner wird.

Und man begann sich zu fragen: Warum haben die Leute das nicht schon früher entdeckt? Verschiedene Astronomen machten sich auf die Suche nach alten Beobachtungsdaten um die Veränderung der Sonnenfleckenanzahl auch für die Vergangenheit zu bestimmen. Einer davon war der deutsche Astronom Gustav Spörer. 1887 und 1889 veröffentlichte er zwei Arbeiten in denen er bekannt gab, dass es offensichtlich eine sehr interessante Periode zwischen 1645 und 1715 gegeben haben musste. In dieser Periode waren so gut wie keine Sonnenflecken zu sehen gewesen. Gleichzeitig beschäftigte sich auch der britische Astronom Edward Maunder mit der Sonne. Auch er war auf der Suche nach historischen Sonnenfleckenbeobachtungen; er fasst auch die Arbeiten Spörers zusammen und präsentierte all das der Königlichen Astronomischen Gesellschaft von Großbritannien im Jahr 1894 in einer Arbeit mit dem Titel "Ein ausgedehntes Minimum der Sonnenaktivität".

Aus damaliger Sicht war das eine sehr überraschende und seltsame Erkenntnis. Gut, man hatte sich mittlerweile von der antiken bzw. mittelalterlichen Ansicht gelöst, dass die Sonne ein "himmlischer", "göttlicher" und damit perfekter Himmelskörper sein müsse der nicht den irdischen Gesetzen unterliegt und auch keine Unregelmäßigkeiten wie etwa Flecken haben könne. Aber dass unser Stern sich in der Vergangenheit so anders verhalten hat als heute: Das fanden viele Zeitgenossen von Maunder und Spörer schwer zu akzeptieren. Spörer starb 1895; Maunder ließ aber nicht locker und veröffentlichte 1922 eine weitere Arbeit mit fast dem gleichen Titel wie 28 Jahre zuvor: Das ausgedehnte Minimum der Sonnenaktivität 1645-1715".

Fasst man die Arbeiten von Spörer und Maunder zusammen, dann sagen sie, dass es zwischen 1645 und 1715 so gut wie keine Sonnenflecken zu sehen gab. Mehr noch, zwischen 1672 und 1704 wurde GAR KEIN Sonnenfleck beobachtet und dass die wenigen Sonnenflecken so gut wie immer einzelne Flecken oder höchstens Teil einzelner Fleckengruppen waren. Ganz anders, als wir das heute gewöhnt sind, wo in den aktiven Phasen immer viele Flecken in vielen Fleckengruppen zu sehen waren. Deswegen kann man es den Astronomen des 17. Jahrhunderts auch kaum vorwerfen, die Sache mit den Fleckenzyklen nicht verstanden zu haben. Wenn es nichts zu sehen gab, dann kann man auch schwer darüber forschen.

Wir nennen die Phase extrem niedriger Sonnenaktivität heute "Maunder-Minimum" - der Name stammt aus einer Arbeit des amerikanischen Astronomen John Eddy, der die ganze Sache 1976 nochmal analysiert hat. In einer sehr umfangreichen Arbeit hat er die alten Arbeiten von Maunder und Spörer nochmal untersucht, hat weitere Daten z.B. über die Beobachtung von Polarlichtern zusammengetragen und nach anderen Hinweisen gesucht aus denen sich die Sonnenaktivität der Vergangenheit ablesen lässt. Das alles hat er unter dem Titel "Das Maunder Minimum" (pdf) veröffentlicht. Man kann darüber streiten, ob diese Bezeichnung gerechtfertigt ist. Der erste, der die Sache mit dem Minimum entdeckt hat war ja Spörer und nicht Maunder. Aber Maunder hat das ganze intensiv untersucht. Andererseits ist es definitiv nicht richtig in diesem Zusammenhang nur Edward Maunder zu erwähnen. Den da gibt es auch noch Annie Maunder, eine Astronomin und Edwards Ehefrau. Die das Schicksal so vieler Frauen in der Wissenschaft teilt und immer wieder mal ignoriert wird. Annie war eine hervorragende Mathematikerin die an der Universität Cambridge studiert hat. Was sie in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts netterweise durfte. Was man damals aber noch übertrieben fand, war die Arbeit von Frauen wie Annie - damals noch - Russell mit einem offiziellen Uni-Abschluss zu würdigen. Weswegen Annie Russell auch keinen Job als Wissenschaftlerin fand, nur eine schlecht bezahlte Stelle als Gehilfin für mathematische Berechnungen an der Sternwarte von Greenwich. Aber immerhin lernte sie dort die faszinierende Arbeit der Sonnenforschung kennen. Und Edward Maunder. Die beiden heirateten und Annie Maunder wurde sofort gekündigt. Eine verheiratete Frau die einfach so arbeitet? War damals nicht erlaubt und Annie Maunder musste ab da ohne Gehalt mit ihrem Mann zusammenarbeiten. Was auch dazu führte, dass sie kaum je auf den wissenschaftlichen Artikeln aufschien auf denen als Autor immer nur Edward geführt wurde.

Die beiden Maunders haben auf jeden Fall maßgeblich zur Erforschung der Sonnenaktivität beigetragen. Und man kann das Minimum der Sonnenaktivität zwischen 1645 und 1715 durchaus nach ihnen benennen. Vor allem, weil es auch weitere solcher längerer Phasen der Inaktivität gibt die andere Namen bekommen haben. Zum Beispiel das "Spörerminimum" zwischen 1460 und 1550, dessen Entdeckung ebenfalls mit der historischen Forschung von Gustav Spörer begann. Oder das "Wolfminimum" zwischen 1282 und 1342, benannt nach Rudolf Wolf. Zwischen 1790 und 1830 gab es noch das - nicht ganz so minimale - "Daltonminimum" und noch ein paar andere in der tieferen Vergangenheit. Das Maunderminimum ist aber von allen die wir kennen das minimalste.

Und so langsam stellt sich die Frage: Wieso? Warum macht die Sonne sowas? Die kurze Antwort: Wissen wir nicht! Die etwas längere Antwort: Der 11jährige Zyklus der Aktivität hängt mit der Rotation der Sonne zusammen. Sehr simpel gesagt: Da die Sonne kein Festkörper ist sonder eine Kugel aus Gas rotieren unterschiedliche Teile ihrer Oberfläche unterschiedlich schnell. Ein Punkt an ihrem Äquator braucht circa 25 Tage für eine Runde, in der Nähe der Pole sind es bis zu 31 Tage. Das führt dazu, dass die geladenen Ströme aus Plasma im Laufe der Zeit quasi langsam um die Sonne herumgewickelt werden. Wenn die Magnetfeldlinien zuerst von Nord nach Süd verlaufen, sorgt die unterschiedliche Rotation unterschiedliche Teile der Sonne dafür, dass sich diese Linien immer stärker verwirren und verwickeln. Genau das führt zu einem Anstieg der Aktivität bis circa 11 Jahre später alles so konfus wird, dass das ganze Magnetfeld quasi zusammenbricht und sich neu wieder aufbaut. Die Realität ist natürlich ein bisschen komplizierter, aber zumindest kann man grob verstehen warum die Aktivität im 11-Jahres-Rhythmus schwankt. Die langfristigeren Variationen wie das Maunder-Minimum sind schwieriger zu verstehen.

Sehr vermutlich hat das etwas mit den Plasmaströmen tief im Inneren der Sonne zu tun. Und zwar mit den sogenannten "torsionalen Oszillationen". Ich erkläre jetzt nicht was das genau ist - aber man kann es sich ziemlich gut als einen unterirdischen Fluß aus Plasma vorstellen. 7000 Kilometer tief unter der Sonnenoberfläche driftet dieser Fluss langsam von den Polen in Richtung Äquator (und bevor wer fragt: Man hat das durch "Asteroseismologie" herausgefunden, also der astronomischen Technik die ich in Folge 164 schon ausführlich vorgestellt habe und bei der man die Schwingungen der Sonne dazu nutzen kann, ihr Inneres zu untersuchen). Je nachdem wo dieser Fluss gerade ist und wie ausgeprägt er ist gibt es mehr oder weniger Sonnenaktivität. Und sollte der Fluss mal komplett ausfallen, gibt es gar keine Aktivität. Aber warum der Fluss sich so bewegt wie er es tut und warum er ab und zu ausfällt: Das wissen wir nicht. Dazu brauchen wir Forschung und bessere Theorien über das was im Inneren der Sonne abläuft.

Übrigens: Man hört oft, dass die Sonnenaktivität auch das Klima der Erde beeinflusst. Und das vor allem das Maunder-Minimum für die sogenannte "Kleine Eiszeit" in Europa verantwortlich war, als es zwischen 15. und 19. Jahrhundert deutlich kälter war als sonst. Die Sonnenaktivität kann zwar tatsächlich einen Einfluss auf das Erdklima haben. Der ist aber sehr gering, wie ich in Folge 368 ausführlich erklärt habe (und die Sonnenaktivität hat auch nix mit der gerade stattfindenen menschengemachten Klimakrise zu tun). Und auch die Kleine Eiszeit kann nicht durch das Maunder-Minimum verursacht worden sein; höchstens ein kleines bisschen beeinflusst, wie ihr in Folge 108 ausführlich nachhören könnt.

Es braucht noch viel Forschung, bis wir die Sonne richtig verstanden haben. Wir werden weiter beobachten müssen, was dort passiert. Die nächsten Minima und Maxima werden kommen. Und mit Sicherheit wird es auch irgendwann wieder ein "ausgedehntes Minimum" geben. Dann wissen wir hoffentlich genug darüber um zu verstehen was da abgeht und haben ausreichend Zeit um uns darauf zu konzentrieren, nach wem wir es benennen.

Sternengeschichten Folge 421: Supervulkane

Supervulkane! Vulkane, nur in super! Damit sind allerdings keine Vulkane gemeint aus denen statt Lava und giftigen Gase zum Beispiel Bier, Süßigkeiten oder anderer netter Kram in die Luft geschleudert wird. Sind sie nicht wirklich "super", zumindest nicht nach menschlichen Maßstäben. Sie heißen "super" weil es Vulkane sind, deren Ausbrüche noch viel gewaltiger sind als die von normalen Vulkanen.

Über Vulkanismus habe ich schon ganz allgemein in Folge 297 der Sternengeschichten erzählt und in Folge 298 auch über die Vulkane anderer Planeten. Denn auch wenn wir hauptsächlich den Vulkanismus auf der Erde erforscht haben, hat dieses Phänomen durchaus auch Auswirkungen auf unser Verständnis anderer Himmelskörper. Aber fangen wir trotzdem mal auf der Erde an und klären, was einen Vulkan zu einem Supervulkan macht.

Dazu müssen wir uns zuerst den "Vulkanexplosivitätsindex" anschauen. Das ist eine Zahl mit der die Stärke eines Vulkanausbruchs angegeben wird. Die Klassen der Stufen 0 und 1 ignorieren wir einfach mal. Da geht es um Ausbrüche die nicht explosiv sind und wo die Lava einfach so langsam aus dem Vulkan rausfließt. Was zwar durchaus nervig sein kann, aber wenn man nicht so dumm ist und direkt in die Lava reinlatscht bzw. sich rechtzeitig in Sicherheit bringt, passiert eigentlich nichts. Bei solchen Ausbrüchen wird auch kein Staub oder ähnliches in die Atmosphäre geschleudert. Solche Ausbrüche kommen ständig vor und haben absolut nichts mit Supervulkanen zu tun. Aber ab Stufe 2 wird es interessiert. Da beginnen die explosiven Ausbrüche, als das, an das wir denken wenn wir uns einen Vulkanausbruch vorstellen.

Die Klassifikation läuft ab hier logarithmisch - soll heißen, dass ein Ausbruch der Stufe 3 nicht doppelt so schlimm ist wie einer der Stufe 2 sondern zehnmal so schlimm. Und das "schlimm" misst man in diesem Fall an der Menge an Material das bei einem Ausbruch ausgeworfen wird. Ein Ausbruch wie die katastrophale Eruption des Vesus in Italien der im Jahr 79 die Stadt Pompei zerstört hat, schleudert mehr als einen Kubikkilometer an Material in die Luft - bis zu 20 Kilometer hoch - und wird am Vulkanexplosivitätsindex bei Stufe 5 einsortiert. Und ab da wird es dann langsam wirklich dramatisch. Auf Stufe 6 werden mehr als 10 Kubikilometer an Material ausgeworfen, Ausbrüche der Stufe 7 schleudern mehr als 100 Kubikkilometer in die Luft und Stufe 8 ist das Ende der Skala mit den allergrößten Ausbrüchen die mehr als 1000 Kubikilometer Material in unsere Atmosphäre werfen. Und 1000 Kubikkilometer ist WIRKLICH viel. Der Bodensee zum Beispiel, immerhin der größte und tiefste See Deutschlands hat ein Volumen von nur 48 Kubikkilometern. Der größte See Europas ist der Ladogasee an der Grenze von Russland und Finnland und selbst der bringt es nur auf ein Volumen von knapp 900 Kubikkilometer.

Und bei Stufe 8 auf der Skala des Vulkanexplosivitätsindex finden wir auch die Supervulkane. Da stellt man sich jetzt vielleicht einen enorm hohen, rauchenden Berg vor. Ist aber nicht so - denn die vulkanischen Berge die man sich normalerweise vorstellt entstehen ja durch das Material, das so ein Vulkan in die Luft schleudert und der ganzen Lava die dort aus dem Erdinneren rausläuft. Im Laufe der Zeit entsteht dadurch ein Berg. Wenn ein Supervulkan ausbricht, dann macht er das mit solcher Kraft, dass da kein Berg entstehen kann. Im Gegenteil, es gibt ein großes Loch im Boden; eine sogenannte "Caldera".

Das ganze läuft so ab: In einer Magmakammer unter der Erdoberfläche sammelt sich geschmolzenes Gestein das im Laufe der Zeit aus dem Erdinneren nach oben steigt. Das ist auch bei normalen Vulkanen so. Bei Supervulkanen ist die Magmakammer aber einerseits enorm groß. Andererseits liegen sie auch in einer Gegend wo das Magma die Erdkruste nicht oder nur schwer durchbrechen kann. Also sammelt sich das Zeug - so lange bis der Druck irgendwann zu groß wird. Dann bricht das ganze geschmolzene Gestein explosiv an die Erdoberfläche durch, es gibt einen unvorstellbar gewaltigen Vulkanausbruch und übrig bleibt nur ein großes Loch im Boden.

Das ist zuerst einmal natürlich für die unmittelbare Umgebung unangenehm. So wie bei normalen Vulkanausbrüchen gibt es auch bei Supervulkanen "pyroklastische Ströme", also eine Mischung aus Staub, Gestein und heißem Gas mit einer Temperatur von bis zu 800 Grad. So ein Strom kann sich mit bis zu 700 Kilometer pro Stunde bewegen und was auch immer in seinem Weg steht, steht dort nicht mehr lange. Bei einem Supervulkan können die pyroklastischen Ströme bis zu 200 Kilometer von der eigentlichen Ausbruchsstelle reichen und auf dem Weg eine 200 Meter dicke Schicht aus Asche und Gestein bilden. Die Asche selbst kann noch viel weiter reichen und ganze Kontinente bedecken. Im Umkreis von ein paar hundert Kilometern ist jedes Leben ausgerottet. Das ist aber noch längst nicht alles. Von dem ganzen Material das beim Ausbruch in die Luft geschleudert wird, kommt vieles erst weit entfernt wieder runter. Lavabrocken können bis zu 50 Kilometer hoch geschleudert werden und einige 100 Kilometer entfernt vom Vulkan auf den Boden krachen. Und der ganze Staub und die Asche werden so hoch in die Atmosphäre geworfen, dass sie sich um die komplette Erde verteilen.

Der Staub blockiert das Sonnenlicht und die Temperaturen sinken auf der ganzen Erde, unter Umständen so weit, dass kaum noch wo vernünftig Pflanzen wachsen können. Es passiert im Wesentlichen das, was auch beim Einschlag eines großen Asteroiden auf der Erde passiert und worüber ich in Folge 381 der Sternengeschichten schon ausführlich gesprochen habe als es um den "Impaktwinter" ging. Kurz gesagt: Der Ausbruch eines Supervulkans hat nicht nur Folgen für die unmittelbare Umgebung sondern für die ganze Erde und kann unter Umständen sogar globale Massensterben verursachen.

Ein Beispiel dafür ist der Ausbruch des Tambora in Indonesien. Der gilt zwar nicht als "Supervulkan", kommt aber schon recht nah ran. Und ist vor gar nicht allzu langer Zeit ausgebrochen, nämlich im April 1815. Den Lärm der Explosion konnte man noch in fast 2000 Kilometer Entfernung hören. Material mit einer Masse von 140 Milliarden Tonnen und einem Volumen von 160 Kubikkilometer wurden ausgeworfen. Der Vulkan, der vor dem Ausbruch circa 4300 Meter hoch war, hatte danach nur noch ein Höhe von 2850 Meter. Asche der Eruption ging noch in 1300 Kilometer Entfernung nieder, in einem Umkreis von 600 Kilometern um den Vulkan war es zwei komplette Tage lang vollständig finster. Es gab zehntausende Todesopfer, es gab Missernten und Hungersnöte. Und im darauffolgenden Jahr fiel in Europa der Sommer aus. Das Jahr 1816 wird auch "Das Jahr ohne Sommer" genannt: Es war so kalt wie kein anderes Jahr der bisherigen Wetteraufzeichnungen. Der Staub des Vulkanausbruchs hielt das Sonnenlicht ab, es gab Ernteausfälle, es gab Hungersnöte und politische Krisen.

Und das war "nur" ein Vulkan mit dem Vulkanexplosivitätsindex von 7! Den Ausbruch eines echten Supervulkans hat bis jetzt kein Mensch erlebt. Aber auch nur weil vor 26.500 Jahren noch keine Menschen in Neuseeland lebten als dort der Taupo-Vulkan ausbrach. Dabei wurden knapp 1200 Kubikkilometer an Material in die Luft geschleudert, die gesamte Landschaft der Nordinsel Neuseelands wurde umgestaltet und dort wo der Ausbruch stattgefunden hat, kann man heute den Lake Taupo besichtigen, einen See mit einer Fläche von 622 km².

In der langen Geschichte der Erde war aber selbst der Ausbruch des Taupo nur wenig bemerkenswert. Vor ungefähr 27 Millionen Jahren ist im heutigen Colorado in den USA ein Vulkan ausgebrochen der 5000 Kubikkilometer an Zeug ausgeworfen hat. Dabei ist die La-Garita-Cadera entstanden, 75 Kilometer lang und 35 Kilometer breit. Das Auswurfmaterial hat eine Fläche von 28.000 km² fast 100 Meter hoch bedeckt. Dieser Ausbruch ist auch der älteste Supervulkanausbruch über den wir vernünftige Informationen haben. Zumindest auf der Erde. Denn auch auf einem anderen Himmelskörper hat man Spuren gewaltiger Ausbrüche gefunden.

Nämlich dem Mars: Dort finden wir ja mit Olympus Mons schon den höchsten Vulkan und Berg des Sonnensystems. Aber 2013 hat man dort auch Spuren von Supervulkanismus gefunden die vor circa 3,5 Milliarden Jahren ausgebrochen sind. Man hatte vorher schon seltsame Spuren gefunden; "Eden Patera" zum Beispiel, ein unregelmäßiger Krater der nicht so aussieht wie Einschlagskrater von Asteroiden aussehen. Und in dieser Region des Mars, einer sehr alten Region - Arabia Terra - fand man jede Menge Ablagerungen die nach vulkanischem Material aussahen. Aber keinen passenden Vulkan in der Nähe. Bis dahin hatte man sich aber auch eher auf die typischen Schildvulkane auf dem Mars konzentriert, also die hohen Berge mit flacher Spitze, wie den Olympus Mons. Wenn es aber auf dem Mars auch Supervulkanismus gegeben hat, hat man vielleicht an der falschen Stelle gesucht. Dann wäre vielleicht Eden Patera kein komischer Einschlagskrater sondern die gewaltige Caldera eines Supervulkanausbrüchs in der Frühzeit des Mars.

Es lohnt sich also, sich mit Supervulkanen zu beschäftigen. Wer weiß, was wir bei einer genauen Untersuchung des Mars noch herausfinden. Oder auf der Venus, die ja ebenfalls jede Menge Vulkane zu bieten hat. Und auf jeden Fall lohnt es sich auf der Erde. Da haben wir nämlich auch noch ein paar Supervulkane auf die wir regelmäßig einen Blick werfen sollten. Den Yellowstone-Vulkan zum Beispiel, mit einer Magmakammer mit einem Volumen von fast 46.000 km³. Oder die Phlegräischen Felder in Süditalien. All diese großen vulkanischen Regionen werden natürlich ständig überwacht. Ein Ausbruch kommt im Allgemeinen nicht aus dem Nichts sondern kündigt sich an; durch aufsteigendes Magma, durch die langsame Hebung des Bodens, durch Erdbeben, und so weiter. Man würde heute einem Supervulkanausbruch nicht komplett unvorbereitet gegenüberstehen müssen. Außerdem sind wirklich große Ausbrüche zum Glück selten. So was passiert im Schnitt alle 50.000 bis 100.000 Jahre. Aber erforschen sollten wir die Dinger auf jeden Fall. Hier auf der Erde und draußen im Weltall.

Sternengeschichten Folge 420: Dreiecke am Himmel

Um all die vielen Sterne am Himmel zu Figuren und Sternbildern zu ordnen, muss man ein wenig kreativ sein. Man braucht Fantasie, um in ein paar hellen Punkten etwa Orion, den Himmelsjäger zu erkennen oder Draco, den Drachen der sich um den Polarstern am nördlichen Himmel windet. Aber selbst wer mit geringer Vorstellungskraft ausgestattet ist wird keine Problem mit Triangulum haben. Der lateinische Name dieses Sternbilds bedeutet so viel wie "Dreieck" und die drei hellsten Sterne bilden genau so eines.

Was keine große Kunst ist. Rein geometrisch kann man zwischen drei Punkten IMMER ein Dreieck zeichnen, sofern sie nicht alle auf einer Linie liegen. Wer wirklich fantasielos ist könnte den ganzen Himmel mit Dreiecken zupflastern. Was wir Menschen zum Glück nicht getan haben, wir haben bei zwei Dreiecken aufgehört.

Aber fangen wir zuerst mit dem ersten an, dem eben erwähnten Sternbild Triangulum. Es befindet sich am nördlichen Teil des Himmels und man kann es vom Herbst bis in den Frühling am Abend sehen. Es liegt ein Stück südlich des Sternbilds Andromeda und man muss sich ein wenig anstrengen wenn man es finden will. Die drei hellsten Sterne die das besagte Dreieck bilden sind zwar mit freiem Auge sichtbar, sind aber nicht sonderlich hell. Sie sind auch nicht sonderlich dunkel, sie sind ziemlicher Durchschnitt.

Unter all den mythologischen Gestalten die den nördlichen Himmel bevölkern scheint das schnöde Dreieck fehl am Platz zu sein. Es gehört aber zu den Klassikern; gehört also zu den 48 der heute 88 offiziellen Sternbilder, die schon in der Antike verwendet worden sind. Im dritten Jahrhundert vor Christus beschrieb der griechische Gelehrte Eratosthenes das Sternbild als Buchstaben. Er sah kein Dreieck, sondern den griechischen Großbuchstaben Delta - der aber exakt wie ein Dreieck aussieht. Und das große D erschien im deswegen bedeutsam, weil damit auf griechisch der Name des Obergottes Zeus beginnt. Zumindest in den meisten Fällen, aber es soll hier ja jetzt nicht um altgriechische Grammatik gehen. Andere sahen im Dreieck ebenfalls ein Delta, aber nicht den Buchstaben sondern das, was ein großer Fluss macht, wenn er ins Meer mündet. Dann fließt er langsam und breitet sich aus. Es entsteht eine Form die aussieht wie - richtig geraten - ein Dreieck und das Flussdelta das in der Antike von enormer Bedeutung war, war natürlich das Delta des Nils an der ägyptischen Küste des Mittelmeers. Die Römer haben in dem Ding die Form der Insel Sizilien gesehen die, ein weiteres Mal wenig überraschend, ein bisschen wie ein Dreieck aussieht. Ceres, die Schutzgöttin der Insel soll Jupiter gebeten haben, die Insel auch am Himmel zu verewigen.

Noch viel früher taucht das Triangulum vermutlich in den assyrischen MUL.APIN-Tafeln auf. Diese Tontafeln enthalten Keilschriftaufzeichnungen die bis ins dritte Jahrtausend vor Christus zurückreichen und beschreiben unter anderem auffällige Himmelsobjekte - "MUL" genannt. Und das erste Sternbild in der entsprechende Liste dort heißt "APIN", wird als "MUL.APIN" gelistet (daher auch der Name der Sammlung) und beschreibt eine Anordnung von Sternen die wie ein Pflug aussieht. Ein Pflug, der natürlich ebenfalls eine dreieckige Form hat weswegen man davon ausgeht, dass auch hier wieder das heutige Sternbild des Dreiecks gemeint ist.

Nachdem wir uns jetzt versichter haben, dass die Menschen auch schon vor Jahrtausenden jede Menge Dinge gekannt haben, die wie Dreiecke aussehen und diese geometrische Form daher auch am Himmel verewigt haben, sollten wir einen etwas astronomischeren Blick auf diese Region des Himmels werfen. Denn die modernen Sternbilder sind ja keine aus Linien und Sternen gebildeten Figuren. Sondern einfach nur klar abgegrenzte Bereiche am Himmel in denen diese Figuren zu finden sind. Was die Sterne angeht ist das Dreieck eher wenig ergiebig. Der hellste Stern dort sollte den Regeln entsprechend eigentlich Alpha Trianguli heißen weil die hellsten Sterne eines Sternbilds immer das "Alpha" kriegen. In dem Fall ist "Alpha Trianguli" aber der zweithellste Stern, aber trotzdem der einzige des Sternsbilds der schon in der Antike einen Eigennamen bekommen hat. "Mothallah", was arabisch ist und so viel heißt wie "Spitze des Dreiecks". Nun ja.

Der Stern ist 63 Lichtjahre von der Erde entfernt, und genaugenommen kein Stern sondern zwei Sterne. Es handelt sich um ein Doppelsternsystem bei dem sich die beiden Komponenten enorm nahe sind, so nahe dass sie nur 1,7 Tage brauchen um einander zu umkreisen und auch im Teleskop so gut wie gar nicht aufgelöst werden kann. Der hellste Stern - in dem Fall Beta Trianguli ist ebenfalls ein Doppelstern, jetzt aber 124 Lichtjahre weit weg. Gamma Trianguli, der endlich mal korrekt benannte dritthellste Stern des Bildes ist 118 Lichtjahre weit weg und ein blau-weißer sehr heißer und großer Stern.

Aber viel interessanter als die ganzen Sterne dort ist das, was man ganz am Rand des Sternbildes sehen kann. Nämlich den "Dreiecksnebel" der ausnahmsweise nicht so heißt weil er aussieht wie ein Dreieck sondern weil es sich um ein auf den ersten Blick nebelartig aussehendes Objekt handelt das sich eben im Sternbild Dreieck befindet. Entdeckt hat das Ding vermutlich der italienische Astronom Giovanni Battista Hodierna der den Nebel in einem 1654 von ihm veröffentlichten Katalog beschrieben hat. Der französische Astronom Charles Messier hat den Nebel dann als Objekt Nr. 33 in seinen "Messier-Katalog" aufgenommen, weswegen er auch oft "M33" genannt wird. Im Laufe der Zeit stellte man fest, dass der Nebel spiralförmig aussah, so wie viele andere solcher nebelartigen Objekte am Himmel. Manche dachten, es handle sich dabei tatsächlich um nebelartige Wolken beziehungsweise Ansammlungen von Sternen innerhalb unserer eigenen Milchstraße. Andere behaupteten, dass es sich um extrem weit entfernte viel größere Sterngruppen handeln müsse, so wie die Milchstraßen-Galaxie nur eben weiter weg.

Wie ich in den Sternengeschichten schon oft erzählt habe wissen wir heute, dass die "Spiralnebel" tatsächlich eigene Galaxien sind und unsere Milchstraße daher nur eine von vielen. Der Dreiecksnebel oder besser die Dreiecksgalaxie ist aber zumindest aus unserer Sicht trotzdem besonders. Einerseits weil man sie mit freiem Auge sehen kann. Zumindest dann, wenn die Bedingungen wirklich, wirklich, wirklich gut sind was aber leider zumindest in Europa kaum jemals der Fall ist. Aber zumindest theoretisch gehört sie zu den wenigen mit freiem Auge sichtbaren Objekten die sich außerhalb unserer Galaxie befinden. So wie die Andromedagalaxie, mit einer Distanz von 2,5 Millionen Lichtjahren unsere nächstgelegen Nachbargalaxie im Weltall. Und wenn Andromeda der nächste Nachbar ist, dann ist die Dreiecksgalaxie der übernächste Nachbar (die diversen Zwerggalaxien von denen manche noch näher liegen ignorieren wir jetzt einfach mal). Sie ist 3 Millionen Lichtjahre von uns entfernt aber deutlich kleiner als Milchstraße und Andromeda. Ihr Durchmesser ist mit circa 50.000 bis 60.000 Lichtjahre weniger als halb so groß wie der der Milchstraße. Dort finden sich nur circa 40 Milliarden Sterne, viel weniger als die hunderten von Milliarden Sterne bei uns. 2007 machte die Dreiecksgalaxie kurz ein paar Schlagzeilen, als man dort M33 X-7 entdeckte, ein schwarzes Loch das 16 mal so viel Masse hatte wie unsere Sonne; das damals massereichste bekannte schwarze Loch das beim Kollaps eines Sterns entstanden ist.

Milchstraße, Andromeda und Dreiecksnebel sind die drei größten Mitglieder der "Lokalen Gruppe"; also der Ansammlung von ein paar hundert Galaxien von der ich schon in Folge 371 erzählt habe. Und wenn Milchstraße und Andromeda in ein paar Milliarden Jahren miteinander verschmelzen werden, wird M33 vermutlich früher oder später auch mitmachen. Entweder sie kollidiert schon zuvor mit der Andromeda oder verschmilzt später mit "Milkomeda", der aus der Fusion von Andromeda und Milchstraße entstandenen Riesengalaxie.

Bevor es aber so weit ist, schauen wir noch schnell auf den südlichen Himmel. Denn auch dort gibt es ein Dreiecks-Sternbild das passenderweise "Triangulum Australe" heißt, also "Südliches Dreieck". So wie die meisten Sternbilder des Südhimmels wurde es erst in der Neuzeit offiziell beschrieben und hat nichts mit irgendwelchen mythologischen Deutungen zu tun. Als im 16. Jahrhundert immer mehr Seefahrer aus Europa die südlichen Meere befuhren, beschrieben sie dort auch die Sterne und immer wieder tauchten dreieckige Konstellationen auf. Das heutige südliche Sternbild finden wir das erste Mal auf einem Himmelsglobus des niederländischen Astronomen Petrus Plancius, der die diversen Berichte der Seefahrer zusammentrug. Korrekt vermessen haben es dann die niederländischen Seefahrer Pieter Dirkszoon Keyser und Frederick de Houtman und der französische Astronom Nicolas Louis de Lacaille nahm das Dreieck bei seinen Darstellungen des Himmels in den Werkzeugkasten auf, den er dort eingerichtet hat. Ich hab ja schon in früheren Folgen erzählt, dass man bei den Sternbildern des südlichen Himmels die wissenschaftlichen Instrumente der Neuzeit feiern wollte. Deswegen gibt es dort nun eben auch das Sternbild "Zirkel", das Sternbild "Winkelmaß" und das Sternbild "Südliches Dreieck", das eigentlich als eine Art frühe Wasserwaage gemeint war und ursprünglich den Namenszusatz "Libella" trug. Der verschwand dann aber irgendwann und deswegen haben wir nun eben ein südliches Dreieck.

Über das gibt es ansonsten wenig zu erzählen. Die drie hellsten Sterne sind zwar heller als die des nördlichen Gegenstücks. Fallen aber in der sternenreichen Gegend des Südhimmels in der sie sich befinden trotzdem nicht dramatsich auf. Es gibt ein paar Sternhaufen dort, ein paar Galaxien, ein paar veränderliche Sterne, ein paar Sterne mit bekannten Planeten - die natürlich aus astronomischer Sicht allesamt interessante Forschungsobjekte sind. Aber im großen und ganzen findet man im südlichen Dreieck nichts was man nicht anderswo am Himmel auch finden kann. Und da ist es fast schon wieder passend, dass diese Region des Himmels den unkreativen Namen des Dreiecks bekommen hat…

Sternengeschichten Folge 419: Der Vredefort-Krater

Vredefort ist eine Stadt in Südafrika. Obwohl es vielleicht übertrieben ist, dem Ort die Bezeichnung "Stadt" zu widmen. Dort wohnen nur wenig mehr als 1000 Leute. Aber trotzdem ist Vredefort, in der Provinz "Freistaat", circa 126 Kilometer südlich von Johannesburg gelegen, berühmt. Nicht weil dort irgendetwas für den Rest der Welt bedeutsames vorgefallen ist. Die Stadt wurde erst 1876 gegründet. Sie nimmt eine Fläche von gerade mal 17 Quadratkilometer ein. Das, weswegen der Name "Vredefort" zumindest in bestimmten Bereichen der Wissenschaft überall bekannt ist, ist mehr 70.000 Quadratkilometer groß und entstand vor mehr als 2 Milliarden Jahren.

Die geologische Ära die damals herrschte wird "Paläoproterozoikum" genannt. Sie beginnt ungefähr 2,5 Milliarden Jahre vor der Gegenwart und endet vor 1,6 Milliarden Jahren. Die Welt war damals noch völlig anders als heute. Hätten wir eine Zeitmaschine und würden wir ins Paläoproterozoikum zurückreisen, wären wir ziemlich schnell tot. In der Atmosphäre der Erde gab es damals noch so gut wie keinen Sauerstoff. Die Kontinente waren leblose Wüsten; das einzige damals vorhandene Leben befand sich im Wasser und bestand aus einzelligen Mikroben. Aber das Paläoproterozoikum war auch genau die Zeitspanne in der sich die Erde zu dem Planeten zu wandeln begann, den wir heute kennen. Die junge Erde war noch unruhig und tektonisch sehr aktiv. Kontinente bildeten sich und zerfielen wieder; schneller als sie das heute tun (aber natürlich noch immer sehr langsam, verglichen mit menschlichen Zeitskalen). Dadurch veränderten sich Meeresströmungen; das ständige Hin-und-Her bei den Kontinenten führte dazu das immer wieder Kohlenstoff im Gestein gebunden bzw. in die Atmosphäre freigesetzt wurde. Zusammen mit den restlichen tektonischen Aktivitäten führte all das zu Klimaschwankungen und die verstärkten die Erosion des Gesteins. Oder anders gesagt: Es gelangte immer mehr Zeug vom Land in die Meere und dort warteten winzige Lebewesen, die das als Nahrung verwenden konnten. Es war eine ganz besondere Art von Bakterium, die quasi als Abfallprodukt ihres Stoffwechsels das Gas Sauerstoff freisetzten. Langsam aber stetig reicherte sich der Sauerstoff in der Atmosphäre an. Im Paläoproterozoikum war dadurch immerhin schon mehr als 1 Prozent davon in der Atmosphäre konzentriert. Das ist wenig im Vergleich zu den fast 20 Prozent die wir heute haben. Aber für die damaligen Lebewesen war das mehr als genug. Das frühe Leben auf der Erde kam nämlich wunderbar ohne Sauerstoff aus; hatte sich auch ohne Sauerstoff entwickelt - es war ja auch vorher keiner da gewesen. Das nun aber von den Bakterien produzierte hoch reaktive Gas war giftig für so gut wie alle Lebewesen und je weiter der Sauerstoffgehalt stieg, desto mehr davon starben aus.

Es war das größte Massensterben der Erdgeschichte, aber zum Glück ein Massensterben das recht langsam verlief. Einige Lebensformen passten sich an die neuen Bedingungen an und von ihnen stammen fast alle Lebewesen ab die heute auf der Erde leben und für die Sauerstoff nicht giftig sondern essentiell zum Überleben ist. Der Sauerstoff der in die Atmosphäre gelangte konnte sich dort auch zu Ozon verbinden und die Ozonschicht bilden. Die hielt nun die für Lebewesen gefährliche UV-Strahlung der Sonne von der Erdoberfläche ab und das erste Mal in der Erdgeschichte war es für das Leben nicht mehr riskant die Ozeane zu verlassen. Also breiteten sich die Lebewesen auf die Kontinente aus - wo sie seitdem nicht mehr verschwunden sind.

In diese - zumindest aus heutiger Sicht und aus Sicht des irdischen Lebens das mit Sauerstoff kein Problem hat - optimistische Zeit platzt das, um das es in dieser Folge geht. Nämlich das Ding, das für den Ruhm der Stadt Vredefort verantwortlich ist. Dass diese südafrikanische Region aus geologischer Sicht besonders ist, wusste man schon länger. Schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts sah man, dass sich dort eine gewaltige Struktur befindet: Seltsame kreisförmige Hügelketten die einen Kreis von mehr als 70 Kilometer Durchmesser beschreiben in deren Mitte sich die Landschaft aufwölbt; seltsame Gesteine die man so in dieser Gegend nicht findet. Geologische Schichten die nicht so verlaufen, wie sie normalerweise verlaufen sollten, und so weiter. Kurz gesagt: In dieser Ecke der musste irgendein sehr dramatisches Ereignis passiert sein, bei dem in kurzer Zeit sehr viel Energie freigesetzt wurde und die ganze Gegend ordentlich durchgerüttelt hat. Aber was?

Noch in wissenschaftlichen Arbeiten aus den 1980er und 1990er Jahren wird die "Vredefort-Struktur" als "Kryptoexplosionsstruktur" bezeichnet. "Krypto" heißt nichts anderes als "versteckt" oder "geheim" und bezieht sich nicht auf Vredefort selbst. Diese Dutzende Kilometer große Struktur konnte man kaum übersehen. "Versteckt" war die Ursache dafür und im Wesentlichen gab es zwei Möglichkeiten: Ein gewaltiges tektonisches Ereignis wie einen Vulkanausbruch. Oder ein Objekt aus dem All ist genau dort auf die Erde gefallen.

Heute sind Asteroideneinschläge für uns nichts Außergewöhnliches. In Science-Fiction-Filmen und Büchern passiert so etwas ständig; wir lesen auch immer wieder von wissenschaftlicher Forschung die sich mit Einschlagskratern beschäftigt und sehen Bilder der unzähligen Krater auf Mond, Mars und anderen Himmelskörpern des Sonnensystems. Aber man darf nicht vergessen, dass man tatsächlich lange Zeit davon überzeugt war, dass große Einschläge auf der Erde so gut wie nicht vorkommen. Bei der Geburt des Planeten, in der Frühzeit des Sonnensystems - da war so etwas möglich. Aber heute nicht mehr; nicht seit sich alles wieder beruhigt und der Planet sich gebildet hat. Die paar Krater die man zweifelsfrei auf der Erde sehen konnte mussten Vulkankrater sein oder bei extrem seltenen Ereignissen entstanden.

Die Meinung änderte sich erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts als geologische Untersuchungen zum Beispiel im Nördlinger Ries in Süddeutschland zeigten, dass das Gestein dort so gewaltigen Kräften ausgesetzt war, die nur beim Einschlag eines Objekts aus dem All entstehen konnten. Dann fand man in den frühen 1990er Jahren den Chixulub-Krater in Mexiko der vor 65 Millionen Jahren entstand und konnte zeigen, dass die Folgen dieser Kollision ein Massensterben verursacht haben bei dem unter anderem die meisten Dinosaurier verschwunden sind. Man akzeptierte, dass Asteroideneinschläge auf der Erde während ihrer ganzen Geschichte vorkommen und vorgekommen sind und mit diesem neuen Blick auf die Dinge fand man auch in Vredefort eindeutige Hinweise auf einen außerirdischen Ursprung.

Aus der "Kryptoexplosionsstruktur" wurde der "Vredefort-Einschlagskrater". Im Gestein der Umgebung fand man "Strahlenkegel", also Bruchflächen mit einer ganz speziellen Form die nur bei den enorm hohen Drücken entstehen die ein Asteroideneinschlag zustande bringt. Im Jahr 2014 wurde eine spezielle Form von Gestein entdeckt, dass sich bildet wenn Magma aus dem Erdinneren langsam abkühlt. Eine Datierung zeigte ein Alter von 2,02 Milliarden Jahren - genau so alt wie der Vredefort-Krater selbst. Das Gestein muss sich also gebildet haben, als nach dem Einschlag dort ein regelrechter Lavasee gebrodelt hat.

Heute können wir halbwegs rekonstruieren was damals passiert ist. Ein Brocken aus dem All mit einem Durchmesser von 10 bis 15 Kilometer muss auf die Erde geprallt sein. Das sagt sich so einfach, aber was bei so einem Ereignis tatsächlich passiert ist für uns eigentlich unvorstellbar. Quasi in Sekunden wurde ein Krater mit mindestens 100 Kilometer Durchmesser und 40 Kilometer Tiefe ausgehoben. Ein Stück der Erde, 100 Kilometer weit und 40 Kilometer tief wurde aus dem Planeten geschlagen, oder besser gesagt: Schlagartig pulverisiert! In das entstandene Loch könnte man mehr als vier Mount Everests übereinanderstapeln! Und wenn man einen Deckel drauf legen wollte, müsste der mehr als doppelt so groß wie die Insel Mallorca sein! Dieses gewaltige Loch blieb aber nicht lange bestehen sondern verformte sich rasch. In Folge 220 habe ich ja schon ausführlich über die Entstehung von Einschlagskrater gesprochen. Der ursprüngliche Krater stürzte weiter in sich zusammen und wurde immer größer. Das durch die enormen Kräfte verformbar gemachte Gestein federte quasi zurück, ein bisschen so wie die Wasseroberfläche nachdem man einen Stein hinein geworfen hat. In der Mitte bildete sich ein Zentralberg der von ringförmigen Hügelketten umgeben ist. Als alles vorbei war, muss der endgültige Krater fast 300 Kilometer durchmessen haben, mit einer Fläche so groß wie Bayern!

Wenn damals an Land irgendwelche nennenswerten Lebewesen gelebt hätten, hätten sie dieses Ereignis nur schwer überstanden. Es war einer der gewaltigsten Asteroideneinschläge auf der Erde von denen wir wissen. Selbst in Grönland und Russland hat man noch Material gefunden das damals in Südafrika in die Luft geschleudert worden ist. Aber zum Glück war das Leben damals winzig und vor allem im Ozean. Und hat dort weiter Sauerstoff produziert. Die Erde hat diesen Treffer ebenfalls weggesteckt und im Laufe der Zeit haben Erosion und neue geologische Ablagerungen den Krater abgeschliffen und verdeckt. Heute kann man ihn nur noch aus der Luft erkennen oder wenn man vor Ort mit geologischen Kenntnissen und genauen Blick spazieren geht.

Wir haben Glück, dass wir den Vredefort-Krater überhaupt untersuchen können. Viele kleinere Krater die sich in der Vergangenheit der Erde gebildet haben sind durch die Erosion komplett verschwunden. Und viele ältere Krater als Vredefort ebenfalls obwohl in der noch tieferen Vergangenheit der Erde vermutlich noch größere Brocken auf unseren Planeten gefallen sind. Derzeit bleibt Vredefort aber noch an der Spitze, zumindest was die Größe angeht. Er ist der größte bekannte Einschlagskrater der Erde und immerhin noch der zweitälteste. Erst im Januar 2020 hat man in Westaustralien die fast nicht mehr erkennbaren Überreste eines Asteroideneinschlags gefunden, der vor 2,2 Milliarden Jahren stattgefunden haben muss. Im Gegensatz zu Vredefort ist dort aber wirklich nichts mehr zu sehen. Man hat ihn nur anhand von Gesteinsproben identifizieren können; aus der Luft oder auf Satellitenbildern sieht man gar nichts. Im Gegensatz zu Vredefort der trotz seines Alters von oben betrachtet immer noch recht beeindruckend ist. Und uns eindrucksvoll daran erinnert, dass wir in einem dynamischen Sonnensystem leben wo ab und zu sehr große Steine vom Himmel fallen können.

Sternengeschichten Folge 418: Milkomeda und die galaktische Kollision

In dieser Folge der Sternengeschichten geht es um ein Himmelsobjekt das noch gar nicht existiert. Von dem wir aber wissen, dass es in der Zukunft existieren wird. Nicht nur das: Wir werden sogar ein Teil davon sein. Also nicht "wir" im Sinn von "wir Menschen". Uns wird es in dieser Zukunft mit ziemlicher Sicherheit nicht mehr geben. Aber die Erde, die Sonne und das Sonnensystem. Und die gehören zur Milchstraße, zusammen mit ein paar hundert Milliarden anderer Sterne. Die Milchstraße, unsere Heimatgalaxie, gibt es seit circa 10 Milliarden Jahren. Aber sie hat ein Ablaufdatum.

Auch Galaxien bewegen sich. Sie ziehen sich gegenseitig an; bewegen sich umeinander und aufeinander zu. Und sie können miteinander zusammenstoßen. Sie verschmelzen miteinander und zwei zuvor einzelne Galaxien bilden zusammen eine neue. Genau das wird mit unserer Milchstraße passieren. Sie wird mit ihrer Nachbargalaxie zusammenstoßen. Das klingt dramatisch. Das ist auch dramatisch. Aber es dauert noch ein bisschen bis es soweit ist. Und uns wird dabei mit ziemlicher Sicherheit nicht viel passieren.

Aber es ist ein ziemlich spannender Vorgang und den schauen wir uns deswegen ein bisschen genauer an. Und klären zuerst einmal die Ausgangssituation. Galaxien sind nicht gleichförmig im Universum verteilt. Sie bilden Gruppen, die "Galaxienhaufen". Die Gruppe, zu der wir gehören, trägt den unspektakulären Namen "Lokale Gruppe" und ich hab in Folge 371 ausführlich darüber gesprochen. Sie besteht aus ein paar hundert Galaxien; die meisten davon sind aber eher kleine Zwerggalaxien. Nur zwei sind wirklich große, quasi ausgewachsene Sternensysteme: Unsere Milchstraße und die Andromedagalaxie. Welche von beiden größer ist, ist immer noch nicht absolut klar. Früher dachte man, dass die Andromedagalaxie ein bisschen mehr Masse hat als die Milchstraße; neuere Forschung hat gezeigt, dass vermutlich doch unsere Milchstraße massereicher ist. Aber auf jeden Fall sind beide sehr groß und einandern vergleichsweise nahe. Sieht man von ein paar winzigen Zwerggalaxien ab, ist die Andromedagalaxie unser galaktischer Nachbar mit einem Abstand von 2,5 Millionen Lichtjahren. Und sie kommt auf uns zu.

Das mag für manche seltsam klingen. Denn man hört ja immer wieder, dass sich alle Galaxien im Universum voneinander entfernen, da der Kosmos sich ja seit dem Urknall immer weiter ausdehnt. Und das stimmt auch. Allerdings nur für sehr, sehr große Abstände. Wenn wir die Galaxien in anderen Galaxienhaufen betrachten, dann bewegen die sich tatsächlich alle von uns fort. Aber innerhalb unserer lokalen Gruppe liegen die Dinge anders. Hier ist die Gravitationskraft zwischen den einzelnen Galaxien stark genug, um die Gruppe trotz der Expansion des Universums zusammenzuhalten. Und manche der lokalen Galaxien bewegen sich aufeinander zu. So wie die Andromeda und Milchstraße: Aus unserer Sicht bewegt sich die Andromedagalaxie mit 110 Kilometern pro Sekunde auf uns zu.

Das heißt aber nicht unbedingt dass es auch eine Kollision geben muss. Denn die Andromeda bewegt sich nicht nur auf uns zu; es gibt auch eine seitliche Bewegung. Es kann also auch sein, dass die beiden Galaxien einfach aneinander vorbei fliegen. Um das zu klären, muss man genau diese seitliche Bewegung messen, was schwierig ist. Viel schwieriger als nur die sogenannte Radialgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit mit der sie auf uns zu kommt. Die kann man recht einfach messen; über den sogenannten "Dopplereffekt". Darüber hab ich auch schon oft gesprochen: Wenn sich eine Lichtquelle auf uns zu (oder von uns weg) bewegt, dann ändert sich die Frequenz - also die Farbe - des Lichts, die wir beobachten. Genau so wie sich auch die Tonhöhe einer Schallquelle ändert, wenn sie sich auf uns zu oder von uns weg bewegt (wie man bei jedem Einsatzfahrzeug hören kann). Das Licht der Sterne in der der Andromeda können wir gut auf diesen Effekt untersuchen. Um aber auch die seitliche Bewegung zu messen, müssen wir die Position der Sterne dort extrem genau bestimmen und auf Veränderungen im Laufe der Zeit untersuchen.

Und "extrem genau" heißt hier wirklich EXTREM genau. Man muss Veränderungen der Sternpositionen messen, die nur ein paar Tausendstel eines Pixel der Kamera des Hubble-Weltraumteleskops entsprechen. Trotz dieser Schwierigkeiten ist es aber im Jahr 2012 gelungen, die seitliche Geschwindigkeit der Andromeda zu messen. Sie liegt bei 17 Kilometer pro Sekunde und das ist zu wenig, um eine Kollision zu vermeiden. In 3,9 Milliarden Jahren werden die beiden Galaxien miteinander kollidieren. Aber: Was bedeutet das Wort "Kollision" wenn es um zwei Galaxien geht? Definitiv nichts, wo irgendwas aufeinander kracht; nichts, wo tatsächlich physische Objekte miteinander kollidieren.

Es ist einfach viel zu viel Platz zwischen den Sternen! Und es ist verdammt schwer, das irgendwie zu veranschaulichen. Wenn wir die gewaltige große Sonne mit ihrem Durchmesser von 1,4 Millionen Kilometer auf die Größe eines Tischtennisballs schrumpfen, dann wäre in diesem Maßstab der uns nächstgelegene Stern immer noch 1100 Kilometer weit weg. Und die gesamte Milchstraße immer noch 30 Millionen Kilometer groß. Ok, im Zentrum einer Galaxie stehen die Sterne dichter beieinander als in den Außenbereichen wo sich die Sonne befindet. Aber selbst wenn man das berücksichtigt, stehen - im Tischtennisballmodell der Galaxie - die Sterne im Schnitt mehr als 3 Kilometer weit auseinander. Und das gilt für die Andromeda genau so. Wir haben also zwei Objekte, die im Wesentlichen aus leerem Raum bestehen in dem sich ab und zu mal ein Stern befindet. Eine "Kollision" ist also eher ein "Durchdringen"; die Chance dass da tatsächlich zwei Sterne physisch zusammenstoßen ist also so enorm gering, dass man sie getrost ignorieren kann.

Ich habe vorhin gesagt, dass die beiden Galaxien in 3,9 Milliarden Jahren kollidieren werden. Damit ist gemeint, dass die beiden Zentren der Galaxien weniger als 80.000 Lichtjahre voneinander entfernt sind. Das hat man einfach so definiert, weil irgendwas muss man ja definieren. Die Kollision ist damit aber nicht vorbei. Die beiden Galaxien werden einander durchdringen und sich wieder voneinander entfernen. Aber nicht weit, denn durch ihre gegenseitige Anziehungskraft haben sie sich abgebremst. 2 Milliarden Jahre nach der ersten Begegnung, also in knapp 6 Milliarden Jahren von heute an, werden sie sich erneut treffen und dann miteinander verschmelzen. Aus den beiden Spiralgalaxien wird eine elliptische Galaxie entstehen, also ein gewaltiger kugelförmiger Haufen aus Sternen.

In dieser fernen Zukunft wird es keine Menschen mehr geben. Wir werden dabei nicht zusehen können und nicht in dieser neuen Galaxie leben. Aber wir haben sicherheitshalber schon mal einen Namen für sie gefunden: Die Astronomen Thomas Cox und Abraham Loeb haben in einer Arbeit aus dem Jahr 2007 den Namen "Milkomeda" für die verschmolzene Galaxie gewählt und der ist geblieben.

Unsere Sonne hat eine längere Zukunft vor sich als die Menschheit. Sie wird noch circa 6 Milliarden Jahre lang existieren und die Verschmelzung von Milchstraße und Andromeda durchaus miterleben. Ihr Schicksal ist allerdings noch nicht völlig klar. Selbstverständlich werden durch die Kollision die Bahnen und Positionen der Sterne ordentlich durcheinander geschleudert. Computersimulationen zeigen, dass wir dabei mit ziemlicher Sicherheit ein wenig nach außen rücken. Momentan befinden wir uns ja knapp 26.000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt. Nach der Verschmelzung werden wir ein Stück weiter vom Zentrum der neuen Galaxie entfernt sein. Es kann allerdings auch sein, dass wir deutlich weiter draußen landen, mehr als 50.000 Lichtjahre oder noch weiter. In 12 Prozent der Fälle sind wir bei den Simulationen auch komplett aus der Galaxie geworden worden. Für die Erde spielt das alles aber keine große Rolle. Denn einerseits wird das Sonnensystem selbst bei all dem nicht verändert; die Erde und die anderen Planeten werden weiterhin ihre Runde um die Sonne ziehen - egal wo die sich gerade rumtreibt. Und andererseits ist die Erde dann sowieso komplett unbewohnbar geworden. In den späteren Phasen ihres Lebens wird die Sonne deutlich heißer brennen als jetzt und die Temperaturen auf der Erde werden zum Zeitpunkt der Galaxienkollision schon weit über den lebensfreundlichen Werten liegen.

Es gibt übrigens doch etwas, was bei dieser Kollision tatsächlich zusammenstoßen wird. Sowohl unsere Milchstraße als auch die Andromedagalaxie haben in ihrem Zentrum ein supermassereiches schwarzes Loch. Dass in der Milchstraße ist circa 4 Millionen Sonnenmassen schwer; bei Andromeda sind es 100 Millionen Sonnenmassen. Nach der Verschmelzung werden diese beiden gewaltigen Objekte einandern im Zentrum der neuen Galaxie umkreisen. Ungefähr 17 Millionen Jahre lang, während der sich beiden schwarzen Löcher immer näher kommen und schließlich zusammenstoßen und zu einem noch gewaltigeren schwarzen Loch zu verschmelzen.

Die Milkomeda-Galaxie wird das absolut dominierende Objekt der lokalen Gruppe sein. Ansonsten gibt es dort ja nur noch Zwerggalaxien. Mit der Ausnahme der "Dreiecksgalaxie" M33. Die hat immerhin noch circa 5 Milliarden Sterne und ist 60.000 Lichtjahre groß. Momentan ist sie 3 Millionen Lichtjahre von der Milchstraße entfernt. Und nach der Entstehung von Milkomeda wird sie diese neue Riesengalaxie als Satellit umkreisen. Obwohl es auch sein könnte, dass sie schon schon vorher mit der Milchstraße verschmilzt oder in den Wirren der Kollision komplett aus der Lokalen Gruppe rausgeworfen wird. So genau lässt sich das nicht vorhersagen. Was auf jeden Fall klar ist: In allerfernster Zukunft, irgendwann in weit mehr als 100 Milliarden Jahren, werden alle anderen Galaxien der Lokalen Gruppe mit Milkomeda verschmolzen sein. Dann wird dort nur noch eine enorme Riesengalaxie sein; scheinbar allein im Universum. Alle anderen Galaxien der anderen Galaxienhaufen werden sich dann mit der Expansion des Kosmos so weit entfernt haben, dass wir sie nicht mehr sehen können. Aber "uns" wird es dann sowieso nicht mehr geben. Und einen Namen für die "letzte Galaxie des Universums" haben wir uns übrigens auch noch nicht ausgedacht…

Sternengeschichten Folge 417: Fluor und sein astronomisches Geheimnis

In der heutigen Folge der Sternengeschichten geht es um das chemische Element Fluor. Was vielleicht nicht unbedingt nach Astronomie klingt. Aber höchst astronomisch ist, wie wir noch hören werden. Im Alltag treffen wir das Fluor meistens im Badezimmer, nämlich dann wenn wir uns die Zähne putzen. Denn das Fluor kann unseren Zahnschmelz härter machen und vor Karies schützen. Was super ist, aber nicht Thema der Folge. Denn damit das hilfreiche Fluor seine Arbeit machen kann, muss es erstmal in die Zahnpastatube gelangen. Was jetzt nicht so schwer ist; in der Erdkruste ist Fluor das 13häufigste chemische Element. Da kommt es so gut wie immer gebunden vor, also in Kombination mit anderen Elementen, zum Beispiel in Form von Flussspat oder Fluorkieselsäure. Das erste Mal chemisch isoliert, also quasi in Reinform entdeckt hat das Element der französische Chemiker Henri Moissan im Jahr 1886, wofür er dann 1906 auch den Chemie-Nobelpreis bekommen hat. Da hat man also gewusst, dass es so ein chemisches Element gibt und seine Eigenschaften erforschen können. Die fundamentale Frage wurde aber immer noch geklärt: Wo kommt das Zeug her?

Und natürlich ist für das Fundament immer die Astronomie zuständig. Denn abgesehen von Wasserstoff und Helium muss jedes chemische Element irgendwo bei der Kernfusion im Inneren eines Sterns beziehungsweise durch andere astronomische Prozesse erzeugt werden. Also auch das Fluor. Bevor wir aber zur Astronomie kommen schauen wir nochmal kurz auf das Fluor selbst und das Periodensystem der Elemente. Dort finden wir das Fluor mit der Ordnungszahl 9. Weil es 9 Protonen in seinem Atomkern hat und die benachbarten Elemente sind Kohlenstoff, mit 6 Protonen; Stickstoff mit der Ordnungszahl 7, Sauerstoff mit Ordnungszahl 8 und auf der anderen Seite Neon mit der Ordnungszahl 10. So weit, so ordentlich. Jetzt schauen wir auf die Liste mit den häufigsten chemischen Elementen im Universum. Wasserstoff ist natürlich auf Platz 1, Helium auf Platz 2 - für diese beiden Elemente braucht man keine Sterne, die sind direkt beim Urknall selbst entstanden und deswegen auch so häufig. Auf Platz 3 kommt Sauerstoff, auf Platz 4 Kohlenstoff, auf Platz 5 finden wir Neon. Auf Platz 6 steht Eisen und auf Platz 7 finden wir Stickstoff. Dass Eisen so häufig ist, ist auch interessant - aber eine ganz eigene Geschichte die ich ein anderes Mal erzählen werden. Auf jeden Fall sehen wir, dass die ganzen Nachbarelemente von Fluor alle in den Top 7 auftauchen. Aber das Fluor schafft es nicht mal in die Top 20. In unserem Sonnensystem gibt es fast 5000 mal mehr Kohlenstoff als Fluor. Sauerstoff ist fast 9000 mal häufiger und selbst das obskure Neon ist noch fast 1500 mal häufiger. Was ist da los?

Nun, zuerst einmal können wir feststellen, dass der Prozess der Fluor herstellt offensichtlich nicht sehr effektiv ist. Im Inneren von normalen Sternen läuft die Fluor-Produktion tatsächlich eher spärlich. Dort wird ja vor allem Wasserstoff zu Helium fusioniert. In den Spätphasen eines normalen Sterns kriegt man dann aus dem Helium per Fusion noch Sauerstoff oder Kohlenstoff. Aus Kohlenstoff kann man Neon oder Natrium fusionieren; aus Sauerstoff kriegt man Silicium und daraus dann Eisen. Aber Fluor kommt bei diesen Reaktionen nicht vor. Zumindest nicht bei den üblichen Reaktionen was bedeutet, dass die Produktion von Fluor unüblich sein muss.

Im wesentlichen hat man drei hauptsächliche und verschiedene Möglichkeiten und Orte im Verdacht, das Fluor des Universums herstellen zu können. Zuerst einmal wären da die sehr großen Sterne. Also Sterne, die am Ende ihres Lebens bei einer gewaltigen Supernova explodieren können. Die zweite Möglichkeit wären AGB-Sterne, also Sterne mit ein wenig geringerer Masse als die Sterne vom ersten Punkt, die sich am Ende ihres Lebens aufblähen und in deren Gasschichten jede Menge unterschiedliche Kernreaktionen stattfinden können. Und dann gibt es als drittes noch die Möglichkeit von Novae. Also ein Sterne die Helligkeitsausbrüche zeigen die nicht ganz so super sind wie die bei Supernovae. Die lasse ich jetzt aber mal aus, weil diese Möglichkeit sehr hypothetisch ist und es auch keine Beobachtungsdaten dazu gibt.

Schauen wir uns dafür die AGB-Sterne nochmal genauer an. Diese Dinger sind ziemlich komplex; noch komplexer als ein normaler Stern, der schon ziemlich komplex ist. Es handelt sich dabei um Sterne die so viel Masse haben wie unsere Sonne beziehungsweise ein bisschen weniger oder mehr. Die ganze Geschichte der AGB-Sterne hebe ich mir für eine andere Folge auf. Aber es geht auf jeden Fall um das, was in der Spätphase des Lebens so eines Sterns passiert. Unsere Sonne, die derzeit noch in der Mitte ihres Lebens steht, fusioniert in ihrem Kern Wasserstoff zu Helium. Nur dort ist es heiß genug dafür. Irgendwann wird im Kern der Wasserstoff ausgehen, dann fällt - wie ich schon oft erzählt habe - der Strahlungsdruck der Fusion weg. Der Stern fällt dann unter seinem eigenen Gewicht ein wenig in sich zusammen, wodurch es in seinem Zentrum heißer wird als vorher. So heiß, dass jetzt auch das Helium fusionieren kann. Und weiter außen wird es jetzt heiß genug, dass der dortige noch nicht fusionierte Wasserstoff auch fusioniert werden kann. Wir haben jetzt also einen Stern, in dessen Zentrum Helium fusioniert wird und in einer weiter außen liegenden Schale findet Wasserstofffusion statt. Das Spiel setzt sich fort; aus dem Helium im Kern wird Sauerstoff und Kohlenstoff, die auch wieder fusioniert werden können. Die Heliumfusion wandert ein Stück nach außen; die Wasserstofffusion noch weiter raus. Wir kriegen also einen Stern, der aus verschiedenen Schalen besteht in denen verschiedenen Fusionsreaktionen stattfinden. Bei all diesen Reaktionen entstehen alle möglichen Reaktionsprodukte. Es fliegen alle möglichen Atomkerne und Bruchstücke von Atomkernen durch die Gegend. Und wenn die richtigen Teilchen auf die richtige Weise zusammentreffen, gibt es Fluor.

Genau so wie man Fluor in solchen Sternen machen kann, kann man es aber auch wieder zerstören. Wenn die richtigen - oder in unserem Fall dann eher die falschen - Teilchen auf ein Fluoratom treffen, dann wandelt es sich in ein anderes Element um. Wenn das Fluor also nicht rechtzeitig aus dem Inneren des Sterns in die oberflächennahen Regionen kommt, aus denen es ins All hinaus geschleudert werden kann, bringt uns das nicht weiter. Die besten AGB-Sterne für die Fluor-Produktion haben circa die dreifache Sonnenmasse, recht viel mehr als 4 oder weniger als 2 Sonnenmassen sollten es nicht sein.

Neben den AGB-Sternen habe ich vorhin auch noch Supernova-Explosionen erwähnt. Auch da fliegen jede Menge Teilchen und Atome mit sehr viel Wumms durch die Gegend was zur Produktion ungewöhnlicher chemischer Elemente führen kann, wie ich ja auch schon in Folge 412 erklärt habe. Was bei einer Supernova-Explosion auch noch in großer Menge entsteht sind Neutrinos. Diese Elementarteilchen entstehen immer und überall bei Kernreaktionen in Sternen und anderswo im Universum; der Kosmos ist voll mit ihnen. Wir merken aber nichts davon, weil sie so gut wie nie mit normaler Materie in Wechselwirkung treten. In jeder Sekunde fliegen Billiarden von Neutrinos durch unseren Körper, ohne das wir das davon mitkriegen. Aber wenn man wirklich, wirklich, wirklich viele Neutrinos auf vergleichsweise kleinem Raum hat - wie zum Beispiel bei einer Supernova-Explosion - und noch dazu jede Menge passende chemische Elemente, dann können spannende Dinge passieren. Denn ab und zu kann so ein Neutrino DOCH mit einem Atomkern in Wechselwirkung treten. Dann schubst es - vereinfacht gesagt - ein Proton aus einem Neon-Atom und das Resultat ist Fluor. Denn - wie ich zu Beginn gesagt habe - Neon hat 10 Protonen im Atomkern; Fluor hat 9 davon.

Das wirklich spannende an der Neutrino-Geschichte haben die amerikanischen AstronomInnen Catherine Pilachowski und Cameron Pace im Jahr 2015 herausgefunden. Sie haben Sterne nach Fluorwasserstoff abgesucht. Das ist ein extrem giftiges Gas das wir hier auf der Erde zum Beispiel verwenden, um Benzin herzustellen. Aber wir finden es auch im All, denn einerseits ist Fluor ein chemisches Element das sich extrem gern mit anderen Elementen verbindet und andererseits ist Wasserstoff ja überall im Kosmos. Wenn irgendwo Fluor produziert wird, dann ist es also keine schlechte Idee nach Fluorwasserstoff zu suchen. Das giftige Gas wurde in 51 Sternen entdeckt; mehr als die Hälfte der Sterne die untersucht wurden. Das war eine überraschend große Menge, denn die Sterne, die Pilachowski und Pace untersucht haben, waren normale Sterne, keine AGB-Sterne oder Supernova-Explosionen. Das Fluor das dort vorhanden ist, muss also schon vorher irgendwo anders produziert worden sein. Mit so viel Fluor wie bei der Studie gefunden wurde, hat man aber damals nicht gerechnet. Damals dachte man, dass man die Menge an Fluor im Universum durch die Produktion in AGB-Sternen erklären kann und ohne die Neutrinos bei Supernova-Explosionen auskommt. Mit den neuen Daten war das aber nicht mehr vereinbar; es muss auch noch andere Fluorquellen geben: Eben die Supernova-Explosionen.

Das Fazit dieser Geschichte: Wir wissen immer noch nicht genau wo das Fluor herkommt. Später durchgeführte Untersuchungen haben bestätigt, dass es auf jeden Fall mehrere unterschiedliche Quellen braucht. Eine einfache Antwort gibt es nicht. Was aber auch überraschend gewesen wäre. Und irgendwie ist es auch cool zu wissen, dass wir unsere Zahnpasta und unsere - hoffentlich! - gesunden Zähne zum Teil der Tatsache zu verdanken haben, dass vor langer Zeit fern im Universum große Sterne explodiert sind und dabei geisterhafte Neutrinos genau die Atome produziert haben, die wir uns auf die Zahnbürste schmieren…

Sternengeschichten Folge 416: Der Schlangenträger und das 13. Sternzeichen

"NASA-Sensation: Deshalb ist Ihr Sternzeichen falsch" - das war der Titel eines Artikels in einem Online-Magazin aus dem Jahr 2016. 2019 konnte man in der Zeitung "Cosmopolitan" lesen: ""13 Sternzeichen?! Hast du in Wahrheit ein ganz anderes?". Immer wieder taucht die Geschichte vom "13. Sternzeichen" auf. Da geht es zwar um Astrologie, also nicht um Wissenschaft. Der Hintergrund ist aber aus astronomischer Sicht durchaus interessant.

Fangen wir mal mit den Grundlagen an. Beziehungsweise fangen wir nicht mit den Grundlagen an. Denn das hier ist ja schließlich kein Podcast über Astrologie. Und in Folge 155 der Sternengeschichten habe ich schon ausführlich über den Unterschied zwischen Astrologie und Astronomie gesprochen und warum Astrologie kompletter Unsinn ist, könnt ihr in Folge 23 nachhören. Was aber im Zentrum der Astrologie steht und auch das zentrale Thema dieser Folge ist, das sind die Sternzeichen.

Auch wenn man nicht an Astrologie glaubt, wird man vermutlich sein Sternzeichen kennen. Und wissen, dass es 12 Stück davon gibt. Je nach dem Tag an dem man geboren wurde, ist man Schütze, Steinbock, Wassermann, Fische, Widder, Stier, Zwillinge, Krebs, Löwe, Jungfrau, Waage oder Skorpion. Was man auch oft glaubt, selbst wenn man kein Astrologie-Fan ist: Dass das Sternzeichen dadurch bestimmt wird, an welcher Position die Sonne zum Zeitpunkt der Geburt am Himmel gestanden ist. Als ich geboren wurde, war die Sonne gerade im Löwen zu sehen, also bin ich Löwe. Denn immerhin gibt es ja auch ein offizielles Sternbild das "Löwe" heißt und das man sich am Himmel anschauen kann.

Das Problem: Das stimmt nicht. Also nicht, dass es ein Sternbild "Löwe" gibt. Das stimmt schon. Aber als ich am 28. Juli 1977 geboren wurde, ist die Sonne dort nicht zu finden gewesen. Die war im Sternbild Krebs. Aus astrologischer Sicht ist das aber egal, denn der Himmel der Astrologie hat nichts mit dem realen Himmel der Astronomie zu tun. Zumindest heute. Früher war das anders und dieses Früher müssen wir uns ein wenig genauer anschauen, wenn wir das mit dem 13. Sternzeichen verstehen wollen.

Vor allem müssen wir nochmal kurz den Unterschied zwischen "Sternbild" und "Sternzeichen" betrachten, den ich in Folge 48 schon genauer erklärt habe. Der früher noch nicht existiert hat. Menschen haben immer schon zum Himmel geschaut und die hellen Punkte der Sterne zu Figuren angeordnet. Die ältesten dieser Figuren die wir heute noch kennen und zum Teil auch noch verwenden sind mehr als 2000 Jahre alt und stammen aus Babylonien. Die Menschen die damals den Himmel genau beobachtet haben, haben festgestellt, dass es da eine bestimmte Region gibt, die sich von anderen Regionen unterscheidet.

Wenn man zum Beispiel die Sonne jeden Tag zu Mittag betrachtet und ihre Position am Himmel notiert, dann wird man merken, dass das nicht immer die selbe Position ist. Kein Wunder, denn heute wissen wir ja, dass sich die Erde um die Sonne herum bewegt und wir sehen daher auch die Sonne im Laufe eines Jahres immer vor einem anderen Hintergrund. Damals dachte man, dass sich die Sonne um die Erde herum bewegt und deswegen immer woanders zu sehen ist. In unserem Fall kommt es aber auf das gleiche heraus: Die Sonne scheint im Laufe eines Jahres einen Kreis um die Erde herum zu beschreiben. Auf dieser Kreisbahn scheint sich die Sonne entlang einer Linie zu bewegen, die man "Ekliptik" nennt. In Wahrheit ist die Ekliptik die an den Himmel projizierte Bahn der Erde. Auf jeden Fall aber folgt daraus, dass die Sonne im Laufe eines Jahres sich nicht irgendwo und überall am Himmel rumtreiben kann. Sondern nur dort, wo sich die Ekliptik befindet.

Genau das ist auch schon den Babyloniern aufgefallen und deswegen waren für sie die Sternfiguren besonders interessant, die genau am Weg der Sonne gelegen sind. Denn immerhin ist die Sonne unbestritten der wichtigste Himmelskörper für uns Menschen; sie macht das Leben auf der Erde erst möglich. In fast allen frühen Kulturen ist die Sonne als Gottheit verehrt worden und deswegen ging man auch davon aus, dass die Sterne am Himmel die den Weg der Sonne säumen, irgendwie besonders sein müssen.

Von allen Sternbildern am Himmel wurden ein paar ganz besonders betrachtet. Weil sie - zum Teil - nach Tieren benannt wurden, heißen sie auch "Tierkreiszeichen" und es sind genau die Sternbilder, die in der astrologischen Deutung als Sternzeichen bezeichnet worden sind. Früher waren also Sternzeichen einfach nur eine besondere Gruppe unter allen Sternbildern des Himmels. Im Laufe der Zeit haben wir am Himmel aber immer wieder mal umsortiert. Lange hat es keine einheitlichen Regeln gegeben, verschiedene Kulturen haben zu unterschiedlichen Zeiten ganz verschiedene Sternbilder geschaffen. Und später haben verschiedene Forscher ihre ganz eigenen Systeme gebastelt um die Sterne in Bilder einzuteilen. Erst Anfang des 20. Jahrhunderts hat man da ein System reingebracht und die Internationale Astronomische Union hat ein für alle Mal 88 offizielle Sternbilder am Himmel festgelegt. Mehr als die Hälfte davon sind alte Sternbilder, die wir aus der Antike übernommen haben; darunter auch die zwölf Sternbilder die in der Astrologie die Sternzeichen bilden. Für jedes Sternzeichen gibt es also ein passendes Sternbild am echten Himmel. Und die zwölf Sternbilder des Tierkreises sind auch tatsächlich genau die, die entlang der Ekliptik zu finden sind.

Nur: Es sind nicht alle Sternbilder, die entlang der Ekliptik zu finden sind. Dort liegen nicht nur die Sternbilder, deren Namen wir aus dem Zeitungshoroskop kennen. Sondern auch eines, das dort nicht aufscheint: Ophiuchus, der "Schlangenträger". Auch dieses Sternbild gibt es schon lange, es gehört zu den alten Sternbildern der Antike. Man hat es damals aber ignoriert und nicht zu den Tierkreiszeichen bzw. zu den Sternzeichen gezählt. Vermutlich, weil man "12" einfach als die schönere Zahl betrachtet hat; da ließ sich mythologisch viel mehr reininterpretieren. Und auch mathematisch war es viel praktischer, die Ekliptik einfach in 12 Abschnitte zu teilen und nicht in 13. "13" ist eine Primzahl; "12" dagegen eine Zahl die man durch 1, 2, 3, 4, 6 und 12 teilen kann, was zum Rechnen immer angenehm ist.

Die Astrologie und die Astronomie haben sich damals gemeinsam entwickelt. Bzw. gab es damals einfach keinen Unterschied; man hat den Himmel betrachtet, hat probiert die Bewegung der Planeten zu verstehen und zu verstehen, was es mit diesen ganzen leuchtenden Dingern auf sich hat. Und ein Weg, wie man probiert hat Sinn in die Angelegenheit zu bringen, war es, eine Verbindung zwischen Himmel und Erde aufzustellen; eine Verbindung zwischen dem, was oben im "Reich der Götter" abgeht und unten mit dem Schicksal der Menschen. Heute wissen wir, dass es so eine Verbindung wie sie die Astrologie behauptet nicht gibt. Wo die Sonne und die Planeten am Himmel zu sehen sind, hat absolut keinen Einfluss auf unser Schicksal. Die Astronomie hat im Laufe der Zeit immer mehr über das reale Universum rausgefunden; die Astrologie ist das, was von damals noch übrig geblieben ist wenn man all die echten wissenschaftlichen Erkenntnisse abzieht. Die Astrologie hat daher auch alle Entdeckungen und Reformen ignoriert die im Laufe der Zeit gemacht worden sind. Der Himmel der Astrologie ist ein komplett fiktiver Himmel der nichts mit dem realen Himmel zu tun hat.

Zwischen Ende November und Mitte Dezember kann man die Sonne im Sternbild des Schlangenträgers finden. Laut Astrologie ist jemand, der in diesem Zeitraum geboren wurde aber vom Sternzeichen her ein Schütze. Die Astrologie teilt die Ekliptik immer noch in 12 gleich große Abschnitte denen die zwölf antiken Tierkreiszeichen zugeordnet sind. Am realen Himmel sind die realen Sternbilder aber unterschiedlich groß und die Sonne verbringt unterschiedlich viel Zeit in ihnen. Und eben auch ein paar Wochen im Sternbild Schlangenträger. Was aus astrologischer Sicht komplett egal ist - wenn man sich sowieso ein von der Realität komplett unabhängiges System aufbaut, dann kann man auch das ignorieren. Und aus astronomischer Sicht ist es gewissermaßen auch egal. Denn einerseits ist die Astrologie wissenschaftlich gesehen sowieso Unsinn. Und andererseits ist die Sache mit den Sternbildern und Sternzeichen zwar historisch interessant. Aber ein Sternbild ist ja kein reales Objekt im Universum. Die Sterne die ein Sternbild formen gehören ja nicht zusammen. Wir sehen sie nur zufällig von der Erde aus genau so an unserem Himmel stehen. In Wahrheit sind manche von ihnen nahe der Sonne, manche sind weit weg. Würden wir den Himmel von irgendeinem anderen Planeten im Universum aus betrachten, würden wir dort auch völlig andere Sternenkonstellationen sehen.

Die Figuren der Sternbilder existieren nur in unserer Vorstellung. Das macht sie für uns nicht weniger interessant; genau das macht das Universum ja erst menschlich. Wir brauchen all die Geschichten am Himmel um mit der unvorstellbaren Größe und Unmenschlichkeit des realen Universums klar zu kommen. Man muss sich aber definitiv keine Sorgen darüber machen, das "falsche Sternzeichen" zu haben. Die Astrologie hat nichts mit der Realität zu tun; wer gerne ein anderes Sternzeichen haben möchte, kann sich einfach selbst etwas passendes ausdenken. Anregungen für die eigene Fantasie sollte man am Himmel mehr als genug finden.

Sternengeschichten Folge 415: Die Nacht in der der Mond verschwand

"In der fünften Nacht des Monats Mai schien der Mond hell am Abend. Danach wurde sein Licht Stück für Stück immer schwächer so dass es komplett verschwunden war als die Nacht begann. Es war so komplett ausgelöscht, das weder das Licht noch der Himmelskörper oder sonst irgendwas vom Mond sichtbar war. Und so ging es weiter bis fast zum nächsten Tag, als der Mond wieder hell und voll schien."

Das steht genau so in der Peterborough Chronicle, einer Chronik zur englischen Geschichte aus dem 12. Jahrhundert. Beziehungsweise steht das dort natürlich nicht genau so; es steht dort in englisch geschrieben oder noch genauer gesagt, es steht dort auf mittelenglisch, also der Version des Englischen die man im 12. Jahrhundert in Angelsachsen gesprochen hat ("England" oder gar "Großbritannien" gab es damals noch nicht). Aber es soll heute ja nicht um Sprachwissenschaft gehen oder Geschichte. Sondern um Astronomie. Und da fragt sich der eine oder der andere vielleicht, was da jetzt so besonders an diesem Zitat ist. Da hat halt eine Mondfinsternis stattgefunden; warum die Aufregung?

Ja, warum die Aufregung? Tatsächlich beschreibt der unbekannte Chronist hier eine Mondfinsternis. Der Eintrag bezieht sich auf das Jahr 1110 und - wie wir heute immer noch problemlos berechnen können - fand am 5. Mai 1110 eine Mondfinsternis statt, die von Europa aus sichtbar war. Aber wer schon mal eine Mondfinsternis gesehen hat wird merken, dass an dem Text irgendwas seltsam ist. Wenn die Erde genau zwischen Sonne und Mond steht und der Erdschatten den Mond verdunkelt: Dann wird er nicht völlig finster. Ein wenig Sonnenlicht wird noch durch die Atmosphäre der Erde hindurch in Richtung Mond gestreut. Vor allem der rote Anteil des Lichts, weswegen der Mond nicht dunkel ist, sondern rötlich leuchtet - wie ich auch schon ausführlich in Folge 295 der Sternengeschichten erzählt habe.

Der Chronist hat sich aber extra bemüht darauf hinzuweisen, dass das Licht des Mondes komplett ausgelöscht war. Es war kein Licht des Mondes zu sehen; auch nicht der verdunkelte Mond. Es war gar nichts zu sehen. "Und?", denkt sich jetzt vielleicht wieder die eine oder der andere. Dann war es halt bewölkt. Das kommt vor, vor allem in England… Der Chronist hat aber im folgenden Text noch hinzugefügt: "Die ganze Nacht über war der Himmel sehr klar und die Sterne schienen überall am Himmel sehr hell".

Also: Klarer Himmel, eine Mondfinsternis - aber eine Mondfinsternis die so eigentlich nicht vorkommen sollte. Es war eine "dunkle Finsternis", was ein wenig unsinnig klingt. Aber weil eine Mondfinsternis eben normalerweise nicht dunkel ist, macht dieser Begriff durchaus Sinn. Übrigens gibt es eine eigene Skale mit der man die Dunkelheit einer Mondfinsternis klassifizieren kann. Sie wurde nach dem französischen Astronom André Danjon benannt und heißt demnach "Danjon-Skala". Die Helligkeit der Finsternis (ja, tut mir leid - aber das kann man nicht anders ausdrücken) wird dabei durch eine Zahl L beschrieben die Werte zwischen 0 und 4 annehmen kann. Bei L=4 hat man eine Mondfinsternis bei der der Mond orange erscheint, mit einem sehr hellen, fast schon bläulichen Rand. Bei L=3 kriegt man eine eher hellrote Mondscheibe zu sehen, bei L=2 ist der Mond dunkelrot und bei L=1 fast schon grau-bräunlich. Bei einem Wert von L=0 ist der Mond dann quasi unsichtbar.

Wie hell eine Finsternis erscheint hängt von unterschiedlichen Faktoren ab, zum Beispiel davon, wie zentral der Schatten der Erde auf den Mond trifft. Wenn der Mond vom Erdschatten quasi nur gestreift wird, dann ist er heller als sonst. Aber, wie ich vorhin schon gesagt habe, selbst wenn der Erdschatten ganz zentral auf den Mond trifft, dann sollte immer noch ein bisschen Sonnenlicht durch die Erdatmosphäre in Richtung Mond gelenkt werden so dass er nicht komplett finster erscheinen kann. Wie das passiert hängt vom Zustand der Atmosphäre ab. Zum Beispiel davon, wie staubig sie gerade ist.

Staub, selbst wenn die Staubteilchen enorm klein sind, können einen großen Einfluss auf das Licht haben. Vor allem dann, wenn das Licht eine große Strecke durch die Atmosphäre zurück legen muss. Das kann man leicht selbst beobachten: Wenn die Sonne mittags hoch am Himmel steht, kommt ihr Licht senkrecht auf die Erde und bewegt sich senkrecht durch die Atmosphäre hindurch. Wenn das Sonnenlicht dagegen morgens oder abends seinen Weg zu uns zurück legt, hat es eine wesentlich längere Strecke durch die Atmosphäre vor sich weil es jetzt quasi nicht von oben sondern "von der Seite" kommt und sehr viel länger durch die dichten, bodennahen Schichten der Lufthülle hindurch muss. Also genau dort, wo sich auch der meiste Staub befindet. Ein bisschen Staub ist immer in unserer Atmosphäre und der hindert das Licht an der Ausbreitung. Wie er das genau tut hängt von der Wellenlänge des Lichts ab, also von seiner Farbe. Kurzwelliges, blaues Licht wird am einfachsten gestreut und kreuz und quer in alle Richtungen abgelenkt. Das langwelligere rötliche Licht kommt leichter durch und deswegen erreicht uns morgens und abends mehr rotes Licht von der Sonne als blaues. Darum können Sonnenauf- und untergänge auch so schön orange/rot leuchten während das Sonnelicht mittags grell weiß ist: Hier sind noch alle Farben drin und mischen sich zu weiß.

Wenn man sich den Sonnenuntergang in einer Gegend anschaut in der sehr viel Schmutz und Staub in der Luft ist, in großen, schmutzigen Städten zum Beispiel, dann ist dieser Effekt besonders stark. Dann wird das rote Leuchten des Sonnenuntergangs ganz besonders intensiv. Und wenn genug Staub in der Luft ist, dann wird das ganze noch extremer. Wenn wir dann eine Mondfinsternis haben, dann wird kaum noch Sonnenlicht in Richtung der verdunkelten Mondscheibe gestreut und wir kriegen eine dunkle Finsternis.

Nur: Wo kommt dieser Staub her? Im Angelsachsen des 12. Jahrhunderts wird sich die industrielle Luftverschmutzung ja eher in Grenzen gehalten haben. Es gibt aber noch andere Quellen und das sind Vulkane! Die brechen immer wieder mal aus und spucken dabei jede Menge Staub in die Luft. Ist der Vulkanausbruch stark genug, dann kann sich der Staub über weite Teile der Atmosphäre verteilen. Und dann kann genau das passieren, was in der alten Chronik beschrieben wird: Man beobachtet einen klarer Himmel mit leuchtenden Sternen. Aber wenn dann eine Mondfinsternis stattfindet, muss das Licht der Sonne durch staubige Bereiche der Atmosphäre hindurch, schafft das nicht und die Finsternis bleibt unerwartet dunkel.

Die Beobachtung einer dunklen Finsternis ist ein gutes Indiz dafür, dass zu dieser Zeit irgendwo auf der Erde ein Vulkan ausgebrochen ist. Nur: Wo genau? Diese Frage hat im April 2020 eine Gruppe von Wissenschaftler aus der Schweiz, Frankreich, England und Irland beschäftigt. Sie haben alte Texte nach Hinweisen auf dunkle Finsternisse durchsucht. Und dann ihren Blick von den Büchern weg und Datenbanken zugewandt. Datenbanken in denen Informationen über Eisbohrkerne und Baumringe gespeichert waren. Beides sind hervorragende Möglichkeiten etwas über den Zustand der Atmosphäre in der Vergangenheit zu erfahren. Wenn es irgendwo auf der Erde ordentlich staubt, dann landet der Staub auch auf dem Eis. Jedes Jahr im Winter entsteht eine neue Eisschicht und wenn es sich um eine Gegend handelt in der das Eis nicht auftaut - wie in den Polarregionen der Erde - dann kriegt man so ein wunderbares Archiv. Man muss nur noch die Staubschicht finden, die Eisschichten abzählen und schon weiß man, wann es staubig war. Im Eis wird natürlich auch immer Luft eingeschlossen und auch die kann man noch Jahrhunderte und Jahrtausende später analysieren und so herausfinden, was da so alles passiert ist. An den Baumringen wiederum kann man ablesen, wie die Temperaturen in der Vergangenheit waren. Je nach Klima wachsen die Bäume schnell oder langsam, sind die Ringe dick oder dünn. Und so ein Vulkanausbruch mit all dem Staub sorgt auch, wenn er groß genug ist, für eine globale Abkühlung.

Aus all diesen Daten haben die Forscher rekonstruieren können, dass es im Jahr 1108 im Sommer enorm kalt war, viel kälter als lange Zeit davor oder danach. Und sie stellten fest, dass die Menge an Schwefelstaub in der Atmosphäre in der Mitte des Jahres 1108 anstieg und bis zum Ende des Jahres noch weiter wuchs. Und in der Mitte des Jahres 1110 gab es dann noch eine weiteren Anstieg von Schwefel. Was nichts anderes bedeutet als: Zwischen 1108 und 1110 müssen mehrere Vulkanausbrüche stattgefunden haben. Welcher Vulkan dafür verantwortlich ist, ist unbekannt. Aber auch hier gibt es Hinweise in alten Texten. Auf der japanischen Insel Honshū, circa 150 Kilometer von Tokio entfernt befindet sich der 2568 Meter hohe Asama. Es handelt sich dabei um einen der aktivsten Vulkane der Region und in der Vergangenheit sind jede Menge Ausbrüche aufgezeichnet worden. Unter anderem im Tagebuch eines Adeligen aus dem 12. Jahrhundert der von einer Eruption im August 1108 berichtet. Aus seinen Beschreibungen kann man schließen, dass die Sache durchaus gewaltig war und die Menge an Staub würde reichen um das zu erklären, was man in den Baumringen und Eisbohrkernen gesehen hat. Und es ist nicht unwahrscheinlich, dass ein so aktiver Vulkan mit einer Eruption nicht zufrieden ist. Aus der jüngeren Vergangenheit des Asama kennen wir etwa Ausbrüche in den Jahren 2009, 2008, 2004, 2003, 1983, 1982, und so weiter. Immer wieder ist der Vulkan mehrmals im Abstand weniger Monate oder Jahre ausgebrochen. Es ist daher absolut plausibel dass er auch zwischen 1108 und 1110 ausgebrochen ist und den Staub in die Atmosphäre der Erde gepustet hat der die dunkle Finsternis am 5. Mai 1110 verursacht hat.

Diese Geschichte ist nicht unbedingt revolutionär. Sie ändert nicht unser Weltbild; sie verrät uns nichts neues über die fundamentalen Geheimnisse des Kosmos. Aber sie zeigt hervorragend wie wunderbar Wissenschaft funktionieren kann. Ein alter historischer Text; modernes astronomisches Wissen; Eisbohrkerne aus Grönland und jahrhunderte alte Bäume: All das wird kombiniert um die Konsequenzen einer bisher unbekannten Abfolge von Vulkanausbrüchen in Japan zu rekonstruieren. Und gleichzeitig das Rätsel der Nacht zu lösen, in der der Mond verschwunden ist.