Suchen nach: kann ein planet nur aus wasser sein

Was reizt Sie daran, zum Mond zu fliegen?

Die Frage, was es dort oben zu entdecken gibt. Wie es wohl ist, über den Mond zu laufen. Als ich das erste Mal ins All geflogen bin, wusste ich rational, was mich erwartet. Aber erst, wenn man dort ist, begreift man es im Herzen.

Was ist das Interesse der Wissenschaft?

Der Mond verrät uns viel darüber, wie das Sonnensystem entstanden ist. Wenn wir dort Radioteleskope errichten, können diese weiter in die Vergangenheit blicken als das James-Webb-Teleskop. Zudem lernen wir dort für Langstreckenmissionen: Der Mond ist ein Sprungbrett zum Mars. 

Wieso das?

Bestenfalls lassen sich mit Wasser­eis auf dem Mond Sauerstoff und Treibstoff ge­winnen. Wer weiß, wohin die Menschheit damit in tausend Jahren fliegt? In meinen Träumen gibt es dafür keine Begrenzung.

Wie schätzen Sie Ihre Chancen ein, selbst zum Mond fliegen zu dürfen?

Die stehen bei 50 Prozent. Europa bekommt für seinen Beitrag zum Artemis-Programm drei Mitfluggelegenheiten zum Lunar Gateway der NASA. Die erste erhält Deutschland. Die Entscheidung muss in den nächsten drei Jahren fallen, denn die Mission soll vor 2030 starten und erfordert zwei Jahre Training. (...)

In der Astrophysik selektieren die wissenschaftlichen Frage­stellungen sehr häufig bereits die Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, soweit nicht etwa Gravitationswellen oder In-situ-Beobachtungen eine Rolle spielen. Bei der Behandlung von Fragen, die die Stern- und Planetenentstehung betreffen, die Entwicklung chemischer Moleküle im interstellaren Raum, optisch dichte Gebiete in der Milchstraße oder in anderen Galaxien, gerät wegen der niedrigen Temperaturen und Energien und der Extinktion der Strahlung stets der infrarote Spektralbereich ins Blickfeld. Auch die kosmologische Rotverschiebung verweist auf den infraroten Spektral­bereich. Daher deckt das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST)1) nicht nur den nahen Infrarotbereich (NIR) bis etwa 3 µm Wellenlänge ab, sondern auch den mittleren Infrarotbereich (MIR) bis etwa 30 µm. Der ferninfrarote Spektralbereich (FIR) zwischen etwa 30 und 300 µm adressiert vor allem das kalte Weltall mit Temperaturen zwischen 10 und 100 K. Für SOFIA war dies der wichtigste Wellenlängenbereich. 

Wegen der etwa 200-mal geringeren Energie der Photo­nen verglichen mit sichtbarem Licht erweist sich der Nachweis von FIR-Photonen jedoch als technisch aufwändig. Das gilt für den direkten Nachweis und auch für den Nachweis mithilfe von Terahertz-Radioempfängern.2) Das zunehmende Interesse an FIR-Photonen bzw. Terahertz­wellen in der Astronomie führte in den letzten 50 Jahren zu einer stürmischen technologischen Entwicklung, die mit dem SOFIA-Projekt ihren vorläufigen Höhepunkt erreicht hat. (...)

Titelbild

Free Access

Terahertz-Physik

Der Terahertz-Frequenzbereich umfasst ein technisch wenig erschlossenes Grenzgebiet im elektromagnetischen Spektrum. Er ist aber besonders interessant, weil er viele Eigenfrequenzen verschiedener, komplexer Quantenphänomene enthält. Dafür stehen neuerdings intensive Terahertz-Pulse aus spezialisierten Elektronenbeschleunigerquellen zur Verfügung. Sie bieten nun eine einzigartige Möglichkeit, solch fundamentale Quantenprozesse im Nichtgleichgewicht zu untersuchen.

Editorial

Free Access

ELBE – eine ostdeutsche Erfolgsgeschichte

Peter Michel

Inhalt: Physik in unserer Zeit 1/2023

Treffpunkt Forschung

Attosekunden-Stoppuhr für Kristalle: Ultrakurzzeitphysik

Josef Freudenstein,  Manuel Meierhofer,  Rupert Huber,  Mackillo Kira

Wenn sich Elektronen durch einen Festkörper bewegen, wechselwirken sie laufend miteinander und definieren so wichtige Eigenschaften des Materials. Hochpräzise Kollisionsexperimente erlauben nun erstmals einen scharfen Blick auf die für Festkörper relevanten elektronischen Korrelationen direkt in der Zeitdomäne.

Kavitation an Flüssig-Flüssig-Grenzflächen: Strömungsmechanik

Patricia Pfeiffer,  Claus-Dieter Ohl,  Simone Meloni

Ähnlich wie ein Stück Papier kann eine Flüssigkeit unter starkem Ziehen aufreißen und dabei Hohlräume oder sogenannte Kavitationsblasen bilden. Interessanterweise ist Wasser in Experimenten weit weniger „reißfest“, als es die Theorie vorhersagt. Mit Experimenten und Simulationen konnten wir zeigen, dass neben den bekannten Störstellen im Wasser auch kleinste flüssige Verunreinigungen die Reißfestigkeit von Wasser verringern können.

Ein kleiner Hüpfer für eine Rakete: Raumfahrt

Verschränkung wie am Fließband: Quantenoptik

Sonja Barkhofen,  Benjamin Brecht,  Christine Silberhorn

Was Albert Einstein einst „spukhafte Fernwirkung“ nannte, war der Royal Swedish Academy of Sciences den Physiknobelpreis 2022 wert. Durch die Kombination von zeitlichem Multiplexing und kontrollierten Feed-forward-Signalen in einem photonischen Quantenspeicher gelingt die Verschränkung sogenannter Greenberger-Horn-Zeilinger-Zustände von immer mehr Quantenteilchen nun schneller und effizienter.

Physics News

Artikel

Open Access

Vorstoß in die Terahertz-Lücke: Terahertz-Physik im Nichtgleichgewicht, Teil 1

Jan-Christoph Deinert,  Sergey Kovalev,  Michael Gensch

Der Terahertz-Frequenzbereich umfasst ein technisch wenig erschlossenes Grenzgebiet im elektromagnetischen Spektrum. Er ist aber besonders interessant, weil er viele Eigenfrequenzen verschiedener, komplexer Quantenphänomene enthält. Dafür stehen neuerdings intensive Terahertz-Pulse aus spezialisierten Elektronenbeschleunigerquellen zur Verfügung. Sie bieten nun eine einzigartige Möglichkeit, solch fundamentale Quantenprozesse im Nichtgleichgewicht zu untersuchen.

Open Access

Der Weg zum Quanteninternet: Atomare Einzelemitter in optischen Resonatoren

Andreas Reiserer

Globale Quantennetzwerke könnten mit einzelnen Atomen als Emitter in optischen Resonatoren realisiert werden. Dies würde eine abhörsichere Kommunikation sowie die Vernetzung von Quantencomputern und Quantensensoren ermöglichen.

Open Access

Dem Kernbrennstoff auf der Spur: Nukleare Forensik an kleinsten Umweltpartikeln

Manuel Raiwa,  Nina Kneip,  Clemens Walther,  Klaus Wendt

Radioaktive Kontaminationen in der Umwelt lösen in der Bevölkerung oft Angst und Verunsicherung aus. Umso wichtiger ist es, ihren Ursprung schnell und präzise zu finden. Kommt es zur Freisetzung von Kernbrennstoff, bietet eine neue Messmethode die Möglichkeit, Reaktor- und Brennstofftyp anhand von kleinsten Fragmenten mit nur 10 µm Durchmesser zu bestimmen.

Open Access

Windenergie in der Deutschen Bucht: Konsequenzen großskaliger Offshore-Windenergienutzung

Axel Kleidon

Über dem Meer weht der Wind stärker und verlässlicher als über Land. So wird für die Energiewende ein großer Beitrag an Offshore-Windenergie erwartet, insbesondere in der Deutschen Bucht. Aber was passiert, wenn eine wachsende Zahl von Windparks der Atmosphäre mehr und mehr Windenergie entziehen?

Wie innerer Druck die Erde formt: Physik und Chemie des Erdinnern

Oliver Tschauner

Der Druck, den die Erde durch ihre eigene Schwerkraft in ihrem Innern erzeugt, ist hoch genug, um die Eigenschaften der chemischen Elemente zu beeinflussen. Wichtige Abgrenzungen innerhalb des schalenartigen Aufbaus der Erde sind durch solche druckinduzierten Änderungen bewirkt, andere, wie die Kruste der Erde und ihr Kern, sind das Ergebnis chemisch-gravimetrischer Absonderungen.Nach einer kurzen Übersicht von Entstehungund Entwicklung der Erde wird dieWirkung des Drucks auf die Minerale imErdinnern und ihre Bedeutung für die Erde im Ganzen besprochen.

Magazin

Spannung mit PUMA : Spannungslabor: Smarte Physik

Christoph Stolzenberger,  Florian Frank,  Thomas Trefzger,  Thomas Wilhelm,  Jochen Kuhn

Eine Technologie, die in der Lehre immer mehr Verbreitung findet, ist Augmented Reality (AR). Nützlich für die Physik ist dabei die Möglichkeit, eine theoretische Modellvorstellung oder Darstellungen davon direkt auf das reale Experiment zu überblenden. So lässt sich eine Verbindung zwischen Modell und Realität herstellen. Die App „PUMA : Spannungslabor“ ermöglicht diese Verknüpfung bei einfachen Stromkreisen.

Luftrüssel – der Natur abgeschaut?
Im Blickwinkel

Hans Joachim Schlichting

Ein durch eine Spiralfeder zusammengerollter flacher Papierschlauch wird durch Einblasen von Luft entrollt. Sobald der Luftstrom nachlässt, rollt sich der Schlauch durch die Federkraft wieder auf.

Kosmologie für alle, die mehr wissen wollen

Matthias Bartelmann

Das Universum in Rätseln

Gerhard G. Paulus

Der Partytrick mit dem fallenden Weinglas: Physik im Weinkeller

Patrik Vogt,  Lutz Kasper

Zu den Schrecken aller Gastgeber zählen Gäste, die gerne mal Weingläser fallen lassen. Dieses Experiment allerdings verspricht einen harmlosen Schrecken ohne Scherben.

Pionierin in der zweiten Reihe des Hörsaals: Historisches Rätsel

Andreas Loos

Sie war die erste Physikprofessorin Amerikas, musste aber zeitlebens um ihre Stellung kämpfen.

Treffpunkt TV

Richard Powers Bewilderment: Physik & Literatur

Klaus Mecke

Erzählungen über mögliches Leben auf fremden Planeten lassen uns erstaunen über ein von der Physik ungedachtes Land des inneren Erlebens. Sie ermöglichen, uns von der Natur und den Gedankenwelten anderer Menschen berühren zu lassen.

Free Access

Vorschau auf Heft 2/2023

Titelbild

Wasser unter Extrembedingungen

Welche Rolle Wasser in der Dynamik des Inneren von Erde und Planeten sowie in vielen astrophysikalischen Prozessen spielt, ist noch weitgehend unklar. Dies liegt hauptsächlich an der Unzugänglichkeit solcher Orte.
Daher kommt Laborexperimenten, die extreme Bedingungen im Inneren
von Planeten und im Weltall zugänglich machen, eine hohe Bedeutung zu. In Kombination mit modernen Methoden zur Aufklärung der Struktur und Dynamik erlauben diese Methoden, Befunde aus der Ferne zu treffen.

Bild: NASA/JPL-Caltech

Editorial

Free Access

Wasser – mehr als ein Molekül

Gerhard Grübel

Inhalt: Physik in unserer Zeit 3/2022

Treffpunkt Forschung

Leicht, leichter, Neutrinos: Teilchenphysik

Enrico Ellinger, Leonard Köllenberger, Lisa Schlüter

Neutrinos sind die häufigsten Materieteilchen im Universum. Aber viele ihrer Eigenschaften wie ihre Masse sind bis heute unbekannt. Das Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) stellt nun die neuen Ergebnisse der aufwendigsten Massenbestimmung der Geschichte vor: Neutrinos sind leichter als 0,8 eV, was weniger als einem Fünfhunderttausendstel der Elektronenmasse entspricht.

Den Ursprung des Magnetsinns entschlüsseln: Magnetorezeption

M. Renee Bellinger, Uwe Hartmann, Michael Winklhofer

Singvögel und Lachsfische sind die bekanntesten Beispiele von Tieren, die sich bei ihren langen Wanderungen auch am Magnetfeld der Erde orientieren. Der Nachweis von kleinen Clustern aus Magnetit in den Sinneszellen von Lachsfischen weist nun auf hochinteressante evolutionäre Entwicklungen, ausgehend von Archäen, hin.

Tauwetter auf dem Mars: Planetenforschung

Zunehmende Temperaturen auf der Südhalbkugel des Roten Planeten lassen das Eis auf den Dünen schmelzen.

Krebsforschung mit laserbeschleunigten Protonen: Protonentherapie

Florian Kroll, Karl Zeil, Florian-Emanuel Brack, Elke Beyreuther

Durch Hochleistungslaser getriebene Protonenquellen stellen eine interessante Ergänzung zu konventionellen Protonenbeschleunigern dar, insbesondere für die radiobiologische Forschung. Unserem interdisziplinären Forschungsteam ist es erstmals gelungen, eine radiobiologische Kleintierstudie mit laserbeschleunigten Protonen durchzuführen.

Physics News

Artikel

Open Access

Wasser in der Erde und in kosmischen Eiswelten: H₂O unter extremen planetarischen Bedingungen

Thomas Loerting, Hanns-Peter Liermann

Welche Rolle Wasser in der Dynamik des Inneren von Erde und Planeten sowie in vielen astrophysikalischen Prozessen spielt, ist noch weitgehend unklar. Dies liegt hauptsächlich an der Unzugänglichkeit solcher Orte. Daher kommt Laborexperimenten, die extreme Bedingungen im Inneren von Planeten und im Weltall zugänglich machen, eine hohe Bedeutung zu. In Kombination mit modernen Methoden zur Aufklärung der Struktur und Dynamik erlauben diese Methoden, Befunde aus der Ferne zu treffen.

Bild: NASA/JPL-Caltech

Open Access

Auf dem Weg zum Replikator: Volumetrischer 3D-Druck

Martin Regehly, Stefan Hecht

„Tee, Earl Grey, heiß!”: In der Science-Fiction-Serie Star Trek produzieren Replikatoren, in Sekundenschnelle und scheinbar aus dem Nichts, Bauteile und Dinge des täglichen Bedarfs. Der Traum, diese Wundermaschinen zu realisieren, inspiriert Wissenschaft und Industrie seit Langem. Konventionelle 3D-Drucker waren der erste Schritt, doch nun ist eine neue Technologie für die schnelle Erzeugung von Objekten direkt im freien Volumen eines Ausgangsmaterials im Entstehen.

Doppelpack für genauere Wetterdaten: Drei Generationen Meteosat-Wettersatelliten

Jörg Asmus

Hagel, Starkwind, Starkniederschläge und Überschwemmungen: Extreme Unwetter werden durch den Klimawandel häufiger. Um sie mit genaueren Wettervorhersagen rechtzeitig erkennen und warnen zu können, benötigt die Meteorologie präzisere Informationen über den Zustand der Atmosphäre. Das ist die Aufgabe der dritten Generation von Meteosat-Wettersatelliten. Der erste Satellit soll im Dezember 2022 gestartet werden.

Open Access

Produktives Klangchaos: Rauschen in Musik und Medizin

Leopold Mathelitsch, Ivo Verovnik

Bei Musik und Sprache denkt man automatisch an harmonische Klänge. Rauschen ist jedoch ebenfalls ein essentieller Bestandteil, insbesondere beim Sprechen. Es wird sogar medizinisch genutzt. (Foto: © Adobe stock)

Kondo-Mania: Der Kondo-Effekt in verschiedenen Materialklassen

Stefan Kirchner, Silke Bühler-Paschen

Vor knapp 90 Jahren wurde der Kondo-Effekt erstmals experimentell beobachtet. Es dauerte 30 Jahre, bis eine theoretische Erklärung gelang. Heute ist Kondo-Physik akueller denn je.

Magazin

Die Entdeckung der solaren Neutrinos: Vor 50 Jahren

Kai Zuber

Der erste Nachweis solarer Neutrinos vor 50 Jahren sorgte für ein Rätsel.

Visualisierung von Messdaten eigener Sensormodule mit phyphox: Smarte Physik

Dominik Dorsel, Sebastian Staacks, Heidrun Heinke, Christoph Stampfer, Jochen Kuhn, Thomas Wilhelm

Die Arduino-Bibliothek phyphoxBLE ermöglicht die einfache Übertragung und Darstellung der mit selbst erstellten Sensormodulen gewonnenen Messdaten auf ein Smartphone. Ein Beispiel sind die hier vorgestellten CO₂-Monitore. Sie können zur Raumluftüberwachung während einer Pandemie eingesetzt werden, aber auch für naturwissenschaftliche Experimente.

Historisches Rätsel

Die diskrete Wissenschaft vom Magneten: Historisches Rätsel

Andreas Loos

Sein Modell des Magnetismus wird zu einer wissenschaftlichen Erfolgsgeschichte, ohne dass er dies über viele Jahre lang mitbekommt.

Treffpunkt TV

Plancks „Akt der Verzweiflung“
Physik & Literatur

Klaus Mecke

Wie wird wissenschaftlich über etwas geschrieben, das nicht in das Weltbild passt?

Free Access

Vorschau auf Heft 4/2022

Wir alle kennen die Eigenschaften einer Flüssigkeit aus dem Alltag: Beim Umrühren beginnt sie zu strömen und erzeugt ein meist recht komplexes Bewegungsmuster. Dieses lässt sich mithilfe der Reynolds-Zahl charakterisieren, welche das Verhältnis von Geschwindigkeit und Längenskala der Strömung zur Viskosität angibt. Bei kleinen Reynolds-Zahlen ist die Strömung meist laminar, bei hohen komplex und turbulent. Turbulente Strömungen treten beispielsweise in der Atmosphäre oder in den Ozeanen auf, wo sie maßgeblich dazu beitragen, Wärme zu verteilen und mit der Strömung transportierte Stoffe zu mischen.

In den vergangenen Jahrzehnten sind aber auch auf der Mikro­skala komplexe Strömungsmuster entdeckt worden. So transportieren Strömungen in Zellen bio­chemische Stoffe. Zudem zeigen Suspensionen von Mikro­organismen – z. B. Bakterien – Strömungsmuster, die an Turbulenz erinnern. Das überrascht zunächst, da die Reynolds-Zahl auf der Mikroskala äußerst klein ist. Bei genauerem Hinsehen handelt es sich jedoch bei den genannten Beispielen nicht um eine Flüssigkeit im klassischen Sinne, sondern um ein aktives Fluid. Denn viele aktive, mikroskopisch kleine Makromoleküle oder Lebewesen „verrühren“ die Flüssigkeit lokal. Die vielen wechselwirkenden Teilchen eines aktiven Fluids können die chemisch oder biologisch zur Verfügung gestellte Ener­gie zur eigenständigen Fortbewegung nutzen. Makros­kopische Strömungen treten auf, wenn viele aktive Teilchen sich durch kollektive Wechselwirkungen zumindest lokal in dieselbe Lage ausrichten. (...)

Quantentechnologie ist heutzutage zwar in aller Munde, aber konkrete Anwendungen sind bislang eher spärlich. Hier wollen wir uns auf eine spezielle Methode konzentrieren, die auf Techniken aus der Quantenphysik basiert: die Atom-Trap-Trace-Analysis (ATTA), die in den letzten Jahren zu neuen Einsichten, vor allem in die Dynamik von Wasser, geführt hat. Dynamik zu verstehen impliziert die Notwendigkeit einer Zeitmessung. Bei Naturvorgängen kann dies nicht etwa eine einfache Stoppuhr leisten. Vielmehr gilt es, auf physikalische Zeitindikatoren zurückzugreifen. Häufig genutzt sind Baumringe, Sediment- oder Eisschichten, in denen die Zeit in charakteristischen Schritten, etwa als Jahresringe, ablesbar ist. Häufig fehlen solche Zeitindikatoren jedoch. Will man zum Beispiel wissen, wann das Wasser aus der Wasserleitung als Regen vom Himmel gefallen ist, hilft das Zählen von Baumringen wenig.

Hier kann eine andere weitverbreitete Datierungs­methode helfen: der radioaktive Zerfall. Es ist eine quantenmechanische Eigenschaft, dass ein atomarer Kern zerfallen kann, wenn die Ruheenergie der Zerfallsprodukte kleiner ist als die Ruheenergie des Kerns. Dieser Prozess tritt zufällig auf und ist daher zeitlich nicht vorhersagbar. Die quantenmechanische Wahrscheinlichkeit, dass der Prozess abläuft, ist allerdings präzise für jedes radioaktive Isotop definiert. Sie ist nicht direkt zu beobachten, sondern experimentell zu bestimmen, indem man viele (strikt: unendlich viele) gleiche Kerne nimmt und sich fragt: Wie lange dauert es, bis die Hälfte der Kerne zerfallen ist? Diese Halbwertszeit ist trotz des intrinsischen Zufalls genau definiert. Es gilt aber aufzuhorchen, denn es erfordert unendlich viele Kerne, die Halbwertszeit exakt zu bestimmen. Wir werden auf diesen Punkt noch zurückkommen. (...)

Titelbild

Das Kilogramm

Editorial

Free Access

Revolution? Aber genau!

Joachim Ullrich

Inhalt: Physik in unserer Zeit 5/2021

Treffpunkt Forschung

Zerstörungsfreie Verfolgung eines
einzelnen Photons

Stephan Welte, Emanuele Distante, Gerhard Rempe

Alle konventionellen Einzelphotonendetektoren zerstören die Photonen beim Detektionsprozess. Diese Limitierung kann durch neuartige nicht-destruktive Detektoren überwunden werden. Unserer Gruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik ist es nun gelungen, zwei solche nichtdestruktive Detektoren hintereinanderzuschalten, um ein einzelnes Photon bei seinem Flug durch eine Glasfaser zu verfolgen. Durch die mehrfache Detektion wird sowohl die Detektionseffizienz als auch das Signal-Rausch-Verhältnis stark verbessert. In einem Quantennetzwerk könnte die Technik für die orts- und zeitaufgelöste Überwachung einzelner Photonen verwendet werden.

Ein Quantenrechner im Computerschrank

Vanya Pogorelov, Christian Marciniak, Philipp Schindler, Thomas Monz

Quantencomputer versprechen schnellere Lösungen für viele Probleme. Bisher sind mehrere Prototypen realisiert worden, die jedoch allesamt eine penibel kontrollierte Laborumgebung benötigen. Um wirklich nützlich zu sein, müssen Quantencomputer ihren Weg aus dem Labor und in ein Rechenzentrum finden. Forscher der Universität Innsbruck und das Startup AQT haben nun den ersten Prototypen eines Quantencomputer in einem handelsüblichen Computerschrank demonstriert – und dabei neue Rekorde aufgestellt.

Wigner-Kristall in zweidimensionalen Halbleitern

M. Kroner, T. Smoleński, E. Demler, A. Imamoğlu

In einem zweidimensionalen Halbleiter können Elektronen aufgrund ihrer abstoßenden Wechselwirkung in einen regulären Wigner-Kristall kondensieren. Dieser elektronische Kristall kann mittels resonanter optischer Spektroskopie nachgewiesen werden.

Protolunare Scheibe bei Exoplanet

Erstmals gelingt die zweifelsfreie Aufnahme einer Staubscheibe um einen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems. Sie enthält genug Material für bis zu drei Monde von der Größe des Erdmondes.

Physics News

Interview

„Wir haben uns bereits in gefährliches Terrain bewegt“

Am 9. August 2021 hat der Weltklimarat, das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), den Bericht der Arbeitsgruppe I des sechsten Sachstandsberichts veröffentlicht. Dieser fasst den aktuellen Stand des Klimawandels zusammen, basierend auf mehr als 14 000 wissenschaftlichen Studien. Veronika Eyring ist Koordinierende Leitautorin des Kapitels 3 „Der menschliche Einfluss auf das Klimasystem“.

Artikel

Open Access

Schwarze Löcher und andere Mysterien: Fünf Jahre Gravitationswellenastronomie

Frank Ohme

Seit 2015 die ersten Gravitationswellen beobachtet wurden, hat sich ein bis dahin unbekannter Teil des Universums nach und nach einer neuen Form der Astronomie erschlossen. Nach nunmehr fünf Jahren sind die Signale zahlreicher Doppelsysteme von Schwarzen Löchern und zweier Neutronensternpaare entdeckt worden. Viele Wünsche der wissenschaftlichen Gemeinde haben sich damit erfüllt, aber die Daten hielten auch einige Überraschungen bereit

Open Access

Was begrenzt das Leben?
Thermodynamik und Photosynthese im Erdsystem

Axel Kleidon

Photosynthese versorgt das Leben auf der Erde mit Energie. Allerdings ist der beobachtete Wirkungsgrad der biologischen Energieerzeugung wesentlich geringer als etwa die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie in Photovoltaikanlagen. Warum ist das so? Die Antwort liefert die Thermodynamik – aber nicht so direkt, wie man zunächst vermuten könnte. Zum Verständnis braucht man einen Blick auf das gesamte Ökosystem und wie dieses mit der Atmosphäre Kohlenstoff und Wasser austauscht.

Open Access

Wieviel Planck-Konstante steckt im Kilogramm?
Massemetrologie mit der Kibble-Waage

Christian Rothleitner

Das Kilogramm ist die SI-Einheit der Masse und war über nahezu 130 Jahre durch das Urkilogramm definiert. Mit der Neudefinition der SI-Einheiten basiert das Kilogramm nun auf dem Planckschen Wirkungsquantum als Fundamentalkonstante. Um es entsprechend darstellen zu können, wurde parallel zu anderen Methoden die Kibble-Waage entwickelt. Ihre Perfektionierung erforderte einige Jahrzehnte.

Open Access

Richtig gewichtig: Physik des Gewichthebens in Sport und Alltag

Sigrid Thaller, Richard Močnik, Leopold Mathelitsch

Beim Gewichtheben im Sport ist nicht nur Kraft, sondern auch die Technik essentiell. Auch im Alltag ist das richtige Ausführen des Hebens wichtig, um Abnützungen und Verletzungen zu vermeiden.

Open Access

Menschen sicher leiten und evakuieren: Die Physik von Menschenströmen

Andreas Schadschneider, Armin Seyfried

Überfüllte Bahnhöfe und Züge, die Organisation von Großveranstaltungen oder die Evakuierung von Stadien oder Theatern: Wenn sich viele Menschen ansammeln, kann es zu Stau und Gedränge kommen. Dann ist die Stauforschung für den Fußgängerverkehr gefragt. Hier hat die Physik in den letzten zwanzig Jahren wichtige Beiträge geliefert.

Magazin

Smarte Waage mit Barometer & Altimeter Pro: Smarte Physik

Stefanie Peter, Pascal Klein, Thomas Wilhelm, Jochen Kuhn

Zu den Sensoren an Bord heutiger Smartphones gehören auch integrierte Barometer. Clever eingesetzt, kann man mit diesen Luftdrucksensoren das Smartphone zur Waage machen.

Solarthermische Kraftwerke: Vor 50 Jahren

Robert Pitz-Paal

Solarthermische Kraftwerke können heute kommerziell Solarstrom nach Bedarf produzieren. Zu dieser Technologie formulierten zwei Astronomen von der University of Arizona bereits 1971 eine Vision, die inzwischen recht genau eingetroffen ist. Allerdings waren dafür mehrere Anläufe nötig.

Historisches Rätsel

Quäkertum und Atomtheorie: Historisches Rätsel

Andreas Loos

Er bestieg Berge, um den Luftdruck zu messen, und sein ganzes Leben war ein Aufstieg. Heute ist er durch ein Gasgesetz und als ein Pionier der Atomtheorie berühmt.

Treffpunkt TV

Helmholtz' Zeichentheorie: Physik & Literatur

Klaus Mecke

Um seine sinnesphysiologischen Arbeiten erkenntnistheoretisch zu verstehen, begriff Hermann von Helmholtz Empfindungen als „Zeichen“, die kein Abbild von Objekten sind, sondern wie Wörter einer Sprache gedeutet werden müssen.

Vorschau

Free Access

Vorschau auf Heft 6/2021

Ob die Erde der einzige Ort im Universum ist, an dem es Leben gibt, beschäftigt die Menschheit bis heute so sehr, dass der jüngste Physik-Nobelpreis die Entdeckung eines Exoplaneten um einen sonnenähnlichen Stern auszeichnete. Bei der Suche nach extraterrestrischen Lebensformen geht es zunächst meist darum, flüssiges Wasser zu finden. Daher ist die „habitable Zone“ definiert als der Abstandsbereich, in dem sich ein Planet von seinem Zentralgestirn befinden muss, damit Wasser dauerhaft in flüssiger Form als Voraussetzung für erdähnliches Leben auf der Oberfläche vorliegen kann.

Wasser allein reicht jedoch nicht aus, um Organismen hervorzubringen. Astrobiologen zählen außerdem eine konstante Energiequelle und „biogene“ Elemente, darunter Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel oder Phosphor, als Grundvoraussetzungen auf. Entsprechend beschreiben auch Evolutionsbiologen das Milieu um die sogenannten Schwarzen und Weißen Raucher am Boden der Tiefsee als das optimale Szenario, in dem wahrscheinlich vor mehr als 3,8 Milliarden Jahren aus leblosen Kohlenstoffverbindungen die ersten, wenngleich noch primitiven Lebensformen des Planeten Erde entstanden.

Bei diesen Rauchern handelt es sich um hydrothermale Quellen, angetrieben durch geologische Aktivität: Heißes, mit alkalinen Elementen und Sulfiden angereichertes Wasser dringt aus der Erdkruste durch das Gestein. Beim Kontakt mit dem kalten, pH-sauren Ozeanwasser fallen die mitgeführten Stoffe aus und bilden die Schornsteine der Raucher. Außerdem entstehen kleine Partikel die – je nach Zusammensetzung – als schwarze oder weiße Wolken aus den Schornsteinen quellen. Solche Umgebungen, in denen Wasser, Energie und Bausteine organischer Chemie vorliegen, gelten als Voraussetzung, um extraterrestrisches Leben zu ermöglichen. Diese Bedingungen könnten auf Exoplaneten vorliegen. Allem Anschein nach finden sie sich aber auch weit außerhalb der habitablen Zone unseres Sonnensystems, beispielsweise auf dem Saturnmond Enceladus. (...)

Das Röntgenobservatorium XMM-Newton der Europäischen Raumfahrtagentur startete am 10. Dezember 1999 und ist seither zusammen mit Chandra, dem Röntgenobservatorium der NASA, die instrumentelle Basis der Hochenergieastrophysik. Die hohe effektive Sammelfläche von XMM-Newton und die hohe räumliche Auflösung von Chandra ergänzen sich perfekt, um einmal aufgespürte Röntgenquellen im Detail zu untersuchen. Mit XMM-Newton lassen sich Planeten und Kometen im Sonnensystem, aber auch die aktiven galaktischen Kerne weit entfernter Galaxien beobachten. Einen Schwerpunkt bilden dabei heiße Plasmen mit Temperaturen von einigen 105 bis 108 K (Infokasten). Typische Beobachtungsprogramme drehen sich um Fragen zu den heißen Koronen von Sternen, zu kompakten Objekten wie Neutronensternen und Schwarzen Löchern und zu den tiefen Gravitationspotentialen Dunkler Materie in Galaxienhaufen. Darüber hinaus zählt XMM-Newton zu den Wegbereitern der Multiwavelength- oder Multimessenger-Astronomie.
Bereits 2002 waren erstmals gemeinsame Programme mit weiteren Satelliten oder Teleskopen möglich. Heute erlaubt es die Zusammenarbeit mit neun verschiedenen Observatorien, Strahlungsquellen im TeV-, Gamma-, Röntgen-, optischen und Radiobereich gleichzeitig zu beobachten. Dazu gehören insbesondere das Neil Gehrels Swift Observatory, das kurze Beobachtungen im Röntgen- und Gammabereich mit sehr schneller Reaktionszeit erlaubt, und das Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) mit einem abbildenden Teleskop für Energien von 3 bis 60 keV. Derzeit steht für gemeinsame Untersuchungen etwa ein Viertel der Beobachtungszeit von XMM-Newton zur Verfügung...

Jim Peebles hat über viele Jahrzehnte wichtige Beiträge zur Kosmologie und zur großräumigen Struktur des Universums geliefert. Nach dem Grundstudium in seiner Heimat Manitoba in Kanada war er als Graduate Student nach Princeton gegangen. Zusammen mit seinem Doktorvater Robert Dicke sagte Peebles 1965 die Mikrowellenhintergrundstrahlung als „Echo des Urknalls“ vorher [1]. Dies geschah wohl unabhängig von den früheren Arbeiten von Gamow, Alpher und Herman und etwa zeitgleich mit der Entdeckung der 3K-Strahlung, die aus allen Richtungen des Himmels zu uns kommt, durch Arno Penzias und Robert Wilson – eine Leistung, die 1978 mit dem Physik-Nobelpreis gewürdigt wurde. Im Abstract schreibt Peebles: “There is good reason to expect the presence of black-body radiation in an evolutionary cosmology, and it may be possible to observe such radiation directly“. 1970 sagte Peebles zusammen mit Jer Yu – etwa zeitgleich, aber unabhängig von Sunyaev und Zel‘dovich – die Temperaturschwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund vorher [2]. Deren detaillierte Beobachtung und Berechnung haben entscheidend dazu beigetragen, die Eigenschaften unseres Universums zu verstehen. Damit hatte Peebles ein Fenster in das sehr frühe Universum eröffnet, das experimentell und theoretisch immer präziser untersucht, beschrieben und verstanden wurde. Die Satelliten COBE (Nobelpreis 2006 für John Mather und George Smoot), WMAP und Planck haben dazu großartige Daten geliefert (Abb. 1).

Der Theoretiker Peebles beschäftigte sich zudem mit dem Modell des heißen Urknalls, er dachte nach über die primordiale Nukleosynthese und berechnete, dass in dieser frühen Phase des Universums Helium entstehen und etwa 25 % des Massenbudgets ausmachen sollte. Er war einer der ersten, die sich quantitativ mit der hierarchischen Struktur des Kosmos beschäftigten, und Mitbegründer des kosmologischen Standardmodells, in dem kalte Dunkle Materie die wesentliche Materie-Komponente ausmacht und die Kosmologische Konstante (bzw. Dunkle Energie) die dominante Energieform darstellt [3]. Um die unerwartet kleine Amplitude der Temperaturschwankungen im Universum zu erklären, schlug Peebles 1982 vor, dass die kosmische Materie zum weitaus überwiegenden Teil aus nichtrelativistischen Teilchen bestehen könnte, die nicht mit Licht wechselwirken. Damit trat die kalte Dunkle Materie auf den Plan, ohne die das kosmologische Standardmodell erfolglos wäre. Der Titel seines ersten Buches „Physical Cosmology“ aus dem Jahr 1971 beschreibt den wesentlichen Beitrag von Peebles: Er machte aus der Kosmologie eine quantitative Wissenschaft. Zuvor war die Kosmologie oft etwas abwertend als die Wissenschaft der drei Zahlen bezeichnet worden: Hubble-Konstante H0, Brems- oder Beschleunigungsparameter q0 und Dichteparameter ρ0. Dieses Lehrbuch – wie auch „The Large-Scale Structure of the Universe“ von 1980 und die „Principles of Physical Cosmology“ von 1993 – waren schon zu ihrer Zeit Standardwerke, und sie gehören auch heute noch zum Repertoire jedes Studierenden der Extragalaktik und Kosmologie. Damit hat Peebles das Denken von Generationen von Studierenden und Wissenschaftlern geprägt. Er ist ein Wegbereiter der modernen Kosmologie...

Welche Erinnerung haben Sie an die erste Mondlandung?
Damals war ich 15 und auf einem Internat. Die Live-Übertragung durften wir nicht sehen. Doch unser Direktor hat die Bedeutung des Ereignisses erkannt und gab uns schulfrei, damit wir am nächsten Morgen die Wiederholung sehen konnten.

Hat das Ihre akademische Laufbahn beeinflusst?
Für mich war vorher schon klar, dass ich etwas Natur­wissenschaftliches machen wollte. Die Mondlandung passte zwar gut dazu, war aber letztlich nicht ausschlaggebend dafür, dass ich in der Planetenforschung gelandet bin.

Wie ergab sich das?
Nach meinem Geologiestudium sah es jobmäßig nicht so gut aus. Da ich mich nicht mit dem Gedanken anfreunden konnte, mein Leben auf einer Bohrinsel zu verbringen oder nach Metallen zu schürfen, habe ich eine Promotionsstelle gesucht. Die gab mir die Gelegenheit, mich mit dem Mond zu beschäftigen und ihn ausgiebig von Hawaii aus mit dem Teleskop zu beobachten...

Als Energiequelle von Sternen spielen kernphysikalische Reaktionen und Zerfälle instabiler Isotope eine wichtige Rolle. Sie sind der Motor der Sternentwicklung. Kernreaktionen setzten die Energie frei, um den Stern gegen die Gravitationskräfte zu stabilisieren, die aus seiner gewaltigen Masse resultieren und sonst seinen Kollaps zur Folge hätten. Je schwerer ein Stern ist, desto mehr Energie muss er produzieren: In seinem Inneren herrschen höhere Temperaturen, bei denen die Fusionsprozesse schneller ablaufen können. Deswegen haben schwere Sterne eine kürzere Lebensdauer als leichtere. Die Sternentwicklung läuft in mehreren Phasen ab, die durch unterschiedliche Fusionsbrennstoffe geprägt sind. Während der ersten Phase des Wasserstoffbrennens wandelt sich Wasserstoff über verschiedene Reaktionssequenzen zu Helium um – in dieser Phase befindet sich unsere Sonne gerade.

Ist der Wasserstoff verbraucht, kontrahiert der Stern, Temperatur und Dichte im Inneren steigen an, bis Fusions- und Kernreaktionen mit Helium möglich sind. Die dann freigesetzte Energie stabilisiert den Stern erneut. Allerdings bläht sich dabei die Sternhülle auf, sodass ein Roter Riese entsteht. Ein bekanntes Beispiel ist Betelgeuse (α Orionis). Auf das Heliumbrennen folgt das Kohlenstoffbrennen und um den stellaren Kern bilden sich Hüllen, in denen das dort vorhandene Helium und weiter außen der Wasserstoff fusionieren. Diese Entwicklung setzt sich fort bis zum Aufbau von Eisen im Sterninneren. Hier ist die Bindungsenergie der Kerne am größten, sodass weitere Kernreaktionen Ener­gie benötigen anstatt diese freizusetzen. Deshalb wird der Stern instabil und bricht in sich zusammen, woraus sich eine Supernova entwickelt. (...)

Was ist Ihnen von „Blue Dot“ in Erinnerung geblieben?

Zum einen der Blick auf die Erde von dort oben, der ist einzigartig und unvergesslich! Zum anderen die wissenschaftliche Arbeit und die Freundschaft zwischen den Mannschaftsmitgliedern. Es ist eine besondere Erfahrung, ein halbes Jahr auf einer Raumstation zu verbringen und so erfolgreich zusammen zu arbeiten.

Da gab es keine Streitereien?

Das könnte es an sich zwar geben, aber wir trainieren vorher über Jahre als Mannschaft zusammen. Im Zuge der Vorbereitung verbringen wir viel Zeit miteinander, unter anderem bei minus 30 Grad im Wald beim Über­lebenstraining in Russland. Wenn es da ernste Spannungen gäbe, hätten wir das vorher gemerkt und daran arbeiten können...

Die Entstehung des Lebens auf der Erde und möglicherweise auf anderen erdähnlichen (terrestrischen) Planeten steht am Ende einer langen Kette von Entwicklungsprozessen im Universum, von der Bildung der Galaxien bis hin zur Entstehung von Sternen und der mit ihnen verbundenen Planetensysteme [1, 2]. Die Entwicklung von Sternen hängt wiederum unmittelbar mit der Kernsynthese der für das Leben notwendigen Elemente zusammen, seien es Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff oder Phosphor und Schwefel. Zusammen mit Wasserstoff bilden sie die Grundelemente für die DNA, welche die Erb­information trägt, und die in Proteinen vorkommenden Aminosäuren.

Unterdessen deuten viele astronomische Beobachtungen darauf hin, dass die Mehrzahl der Planeten Gesteinsplaneten sind, wie etwa der kürzlich um den sonnennächsten Stern Proxima Centauri entdeckte Planet [3] (Abb. 1). Dieser gehört zu einer Handvoll bislang entdeckter Gesteinsplaneten, die sich in der „bewohnbaren“ Zone befinden (Abb. 2), also dort, wo flüssiges Wasser existieren könnte. Proxima Centauri (Spektralklasse M6) ist allerdings ein sehr aktiver Stern, sodass unklar bleibt, ob tatsächlich Wasser auf dem Planeten existieren kann...

Wasser ist auf unserem Planeten allgegenwärtig und zugleich die einzige Substanz, die unter natürlichen Bedingungen in allen drei Aggre­gatzuständen existiert. Wasser ist die Grundlage unseres Lebens und beeinflusst es auf globalen und mikroskopischen Skalen. Es bedeckt mehr als 70 Prozent der Erde – in Form von Ozeanen, Seen, Flüssen, Gletschern und den Eiskappen sowie als Grundwasser. Das weitgehend ausgeglichene Klima unserer Erde beruht auf seiner hohen Wärmekapazität. Die Atmosphäre enthält nur einen geringen Anteil von etwa 10–5 des gesamten Wassers als Dampf, Wolken oder Regentropfen. Weil dieses Wasser 37-mal pro Jahr ausgetauscht wird, ergibt sich eine enorme Regenmenge von 2,2  1014 m3 [1]. Das entspricht einer gleichmäßigen Überdeckung der Erdoberfläche mit einer Wasserschicht von 44 cm. Der Wasseraustausch beeinflusst das Wetter maßgeblich und versorgt Pflanzen als Regen mit der für das Wachsen und Überleben notwendigen Wassermenge. Kontinuierlich greift der Niederschlag geologische Strukturen und menschliche Bauten bis hin zur Zersetzung an.

Die enorme Bedeutung von Wasser für die Biosphäre verdeutlicht bereits der hohe Wasseranteil von Lebewesen. Wir Menschen bestehen im Mittel aus bis zu 70 Prozent Wasser, bei wirbellosen Meerestieren steigt dieser Anteil auf bis zu 96 Prozent. Molekulare Lebensvorgänge verlaufen nahe­zu ausschließlich in wässriger Phase. Dabei ist Wasser nicht nur neutrales Medium, in dem spezifische Partner chemisch reagieren, während seine große Wärmekapazität und Verdampfungswärme für optimale Temperaturen sorgen. Vielmehr beeinflussen seine speziellen Eigenschaften biologische Strukturen wie die Doppelhelixstruktur der DNS und die Konformation von Proteinen, sodass es eine wesentliche Komponente in der Wirkungsweise von Lebensvorgängen auf molekularer und zellulärer Ebene darstellt...

Kometenkerne sind wenige Kilometer große Himmelskörper, die bei Annäherung an die Sonne aufgrund der Sublimation volatiler Eise lange Staub- und Gasschweife ausbilden (Abb. 1). Sie zählen zu den ursprünglichsten Bausteinen des Sonnensystems, weil sie zum einen so klein sind, dass das Material weder durch sein Eigengewicht wesentlich verdichtet noch durch den Zerfall radioaktiver Isotope aufgeschmolzen wurde. Zum anderen hielten sie sich die meiste Zeit seit ihrer Entstehung vor etwa 4,6 Milliarden Jahren so weit entfernt von der Sonne auf, dass hochflüchtige Substanzen in ihnen konserviert wurden und kaum Kollisionen mit anderen Himmelskörpern stattgefunden haben. Diese Bedingungen machen die Kometen zu einem einzigartigen Modellsystem für die Entstehungsphase unseres Sonnensystems.

Werden Kometen beispielsweise durch gravitative Wechselwirkung mit Jupiter ins innere Sonnensystem gestreut, sind sie dort nur eine kurzzeitige Erscheinung, denn sie verlieren pro Umlauf um die Sonne erheblich an Material oder gelangen durch gravitative Wechselwirkung mit einem Planeten wieder in die schwer zugänglichen Außen­bereiche unseres Sonnensystems. Bisherige kurze Vorbeiflüge von Raumsonden an Kometenkernen lieferten erste Bilder dieser bizarren Welten, erlaubten aber keine systematischen Untersuchungen der Physik und Chemie, der Aktivitätsquellen, des inneren Aufbaus, der Entstehung und der zeitlichen Entwicklung von Kometen. Erst die ehrgeizige ESA-Mission Rosetta versprach tiefere Einblicke in die Frühzeit unseres Sonnensys­tems (Infokas­ten). Die Rosetta-Sonde begleitete den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko (kurz 67P genannt) zwei Jahre lang auf seiner Bahn ins innere Sonnensystem und über den sonnennächsten Punkt hinweg wieder hinaus in die Tiefen des Weltalls. Dieser Artikel fasst die Erkenntnisse zusammen, die sich bislang über die Entstehung von 67P gewinnen ließen...

Flüssiges Wasser ist die wichtigste Substanz auf unserem Planeten, ohne die Leben in der bekannten Form nicht möglich wäre. Jahrzehntelange Forschung hat zu einem guten, wenngleich längst nicht vollständigen, Verständnis von Bulk-Wasser auf mole­kularer Ebene geführt. In direkter Nachbarschaft zu einer Begrenzung jedoch bilden die Wassermoleküle eine dünne Schicht mit oftmals gänzlich neuen Eigenschaften. Dieses Grenzflächenwasser, das z. B. in der Umgebung von Zellmembranen, Proteinen oder auch makroskopischen Oberflächen auftritt, ist in den letzten Jahren zunehmend in den Fokus der wissenschaftlichen Anstrengungen von Physikern, Chemikern und zum Teil auch Biologen gerückt. In lebenden Zellen ist die Konzentration an biologischen Molekülen oft sogar so hoch, dass ein Großteil des Wassers in solchen Grenzschichten vorliegt [1]. Trotzdem galt Wasser lange Zeit nur als passive Hintergrundsubstanz für biologische Prozesse − deutlich weniger interessant als Proteine oder DNA. Inzwischen aber wird die zentrale Rolle von Wasser als aktiver, gleichwertiger Partner in der Maschinerie des Lebens immer deutlicher.

Flüssiges Wasser bildet ein molekulares Netzwerk, in dem jedes Wassermolekül mit durchschnittlich knapp vier Nachbarn verbunden ist. Zentrales Bindeglied sind dabei die Wasserstoffbrücken (H-Brücken). Bei diesen handelt es sich um intermolekulare Bindungen zwischen einem partiell positiv geladenen Wasserstoffatom und einem partiell negativ geladenen Partner. In reinem Wasser ist letzterer immer das Sauerstoffatom eines anderen Wassermoleküls, an Grenzflächen jedoch können auch H-Brücken zwischen Wasser und dem begrenzenden Molekül entstehen. Die Bindungsenergie einer typi­schen Wasserstoffbrücke in Wasser liegt bei etwa 4kBT. In reinem flüssigen Wasser besitzt jedes Molekül im Schnitt nHB = 3,5 H-Brücken [1]. Die Tatsache, dass nHB < 4 ist, also kleiner als die Zahl der Bindungen in einer idealen tetraedrischen Struktur, belegt den Einfluss thermischer Fluktua­tionen und den transienten Charakter des Netzwerks...

Am 18. November 1915 zeigte Albert Einstein, dass seine Allgemeine Relativitätstheorie (ART) auf natürliche Weise die beobachtete Periheldrehung des Merkur erklärt. Die Lösung dieses seit 1859 ungelös­ten Problems der Himmelsmechanik gelang Einstein bereits eine Woche, bevor er die ART als abgeschlossen erklären konnte, und markiert die erste ­experimentelle Überprüfung der Theorie. In demselben Beitrag schlug er des Weiteren die Lichtablenkung im Gravitationsfeld der Sonne und die Gravitationsrotverschiebung von Spektrallinien als Tests der ART vor. Der erste Nachweis der Lichtablenkung glückte ein paar Jahre später während der totalen Sonnenfinsternis am 29. Mai 1919. Die damalige Messung wies zwar noch eine recht große Unsicherheit von rund 15 Prozent auf, entschied aber zugunsten der ART, die verglichen mit der Newtonschen Theorie den doppelten Ablenkwinkel vorhersagt. Heute ist die Ablenkung an der Sonne am besten mittels der Radiostrahlung von Quasaren nachgewiesen. Die Vermessung der Quasar-Positionen mit der VLBI-Methode stimmt im Rahmen der Messgenauigkeit von etwa 10–4 mit der ART überein.

Die Krümmung der Raumzeit durch die Masse der Sonne lenkt aber nicht nur das Licht ferner Sterne ab, sondern verlängert auch die Laufzeit elektromagnetischer Wellen. Den besten Nachweis dieser sog. Shapiro-Laufzeitverzögerung ermöglichten 2002 die Telemetrie-Daten der Cassini-Sonde, die den Planeten Saturn umkreist. Sie erreichte eine relative Genauigkeit von etwa 10–5. Als besonders schwierig stellte es sich heraus, die Gravitationsrotverschiebung in den Spektrallinien der Sonne zu beobachten, und zwar aufgrund nichtgravitativer Einflüsse wie Plasmaströmungen in der Photosphäre. Mit hoher Präzision gelang der Nachweis der Rotverschiebung erst mit dem Mößbauer-Effekt sowie Atomuhren...

Zahlreiche kosmologische und astrophysikalische Beobachtungen legen die Existenz großer Mengen an Dunkler Materie nahe. Allerdings ist deren Natur noch gänzlich unbekannt. Völlig unterschiedliche Experimente versuchen, den Teilchen der Dunklen Materie auf die Schliche zu kommen. Einige von ihnen werden in den kommenden Monaten oder Jahren die vielversprechendsten Teilchenmodelle überprüfen. Beim Blick an das nächtliche Firmament drängt sich die Frage auf: Welche Geheimnisse birgt das Universum? Dass es nicht nur leuchtende, sondern auch dunkle Materie beinhaltet, ist in der Astronomie schon lange klar. Jacobus Kapteyn verwendete bereits 1922 den Begriff der Dunklen Materie und bezeichnete damit Masse, deren Existenz lediglich aus Beobachtungen der Kinematik von Himmelskörpern abgeleitet wird. Heute bezeichnet der Begriff im engeren Sinne nichtbaryonische Materie, also solche, die nicht aus Quarks aufgebaut ist. Da sie nicht an der elektromagnetischen Wechselwirkung teilnimmt, sollte sie besser transparente Materie heißen, aber der eingebürgerte Name ist für diese Spitzfindigkeit wohl zu populär.

Verschiedene kosmologische Beobachtungen deuten auf Unmengen Dunkler Materie hin. In der primordialen Nukleosynthese – zwischen 3 und 15 Minuten nach dem Urknall – fanden sich in guter Näherung alle Neutronen mit Protonen zu stabilen ⁴He-Kernen zusammen. Die restlichen Protonen bildeten den Wasserstoff, der das sichtbare Universum beherrscht. Andere Elemente waren stark unterdrückt, bieten aber eine empfindliche Methode, um die baryonische Dichte des Universums Ω_b zum Zeitpunkt der Nukleo­synthese zu bestimmen. War zum Beispiel die Dichte des Universums niedriger, so verpassten mehr vereinzelte Deuterium-Kerne die Fusion zum stabilen ⁴He und blieben übrig. Aus Messungen dieses primordialen Deuteriums lässt sich daher berechnen, dass die Baryonen zur durchschnittlichen Gesamtdichte unseres Universums von 8 × 10^–27 kg/m³ (das entspricht etwa fünf Wasserstoff-Atomen pro Kubikmeter) nur Ω_b=(5,0 ± 0,4)% beitragen. Schon wenige Minuten nach dem Urknall zeigt sich demnach, dass nur wenige Prozent des Universums aus bekannter Materie bestehen.

380 000 Jahre später hatte sich das Universum so weit abgekühlt, dass sich Elektronen und Kerne zu neutralen Atomen verbinden konnten, ohne gleich wieder ionisiert zu werden. Damit wurde das Universum für Photonen transparent. Die zu diesem Zeitpunkt ausgesandten Photonen sehen wir heute, stark gekühlt in den Mikrowellenbereich verschoben, als kosmische Hintergrundstrahlung. Sie ist in exzellenter Näherung isotrop und homogen, aber Präzisionsbeobachtungen machen winzige Temperaturschwankungen in der Größenordnung von nur 10^–5 sichtbar. Diese haben ihren Ursprung in Dichteschwankungen im frühen Universum: Je nach Stärke des Gravitationspotentials haben die Photonen der Hintergrundstrahlung etwas mehr oder weniger Energie, also eine etwas höhere oder niedrigere Temperatur (Sachs-Wolfe-Effekt). Um diese Dichteschwankungen quantitativ zu analysieren, wird aus der Himmelskarte ein Leistungsspektrum berechnet. Hierzu wird die Karte in eine Reihe aus Kugelflächenfunktionen entwickelt, aus deren Koeffizienten sich das Leistungsspektrum ableitet. Die dort gezeigten Schwankungen entsprechen den akustischen Schwingungen: Während die Schwerkraft Materie jeder Art zusammenklumpt, erfährt baryonische Materie eine entgegengesetzte Kraft aus dem Strahlungsdruck der Photonen. Wie immer, wenn sich zwei Kräfte gegen­überstehen, resultiert eine Schwingung mit einer charakteristischen Frequenz. Insbesondere aus der unterschiedlichen Höhe des ersten und dritten Peaks im Leistungsspektrum lässt sich die baryonische Dichte des Universums zu Ω_b = (4,9 ± 0,1)% berechnen. Um jedoch die Stärke der Peaks zu erklären, benötigt dieser Datensatz zusätzliche Materie, die zwar gravitativ klumpt, aber nicht mit dem Photonenbad wechselwirkt. Die Dichte dieser Dunklen Materie beträgt Ω_DM= (26,6 ± 0,7)% – rund fünfmal mehr als die bekannte baryonische Materie. Die restlichen Ω_Λ=(68,6 ± 2,0)% werden der Dunklen Energie zugeschrieben. ...

Anno 2000 ging die Vorgängerveranstaltung dieses Festivals über die Bühne, damals noch unter dem Namen „Physics on Stage“, initiiert vom CERN, der ESA und der ESO. Anlass war der Mangel an naturwissenschaftlichem Nachwuchs. Der „PISA-Schock“ im Jahr 2001 verstärkte die Sorge um die Qualität des Physikunterrichts. Die Europäische Kommission unterstützte die Initiative über das 5. Forschungsrahmenprogramm. Nach Ende der europäischen Förderung wurde die Initiative 2005 unter dem Namen „Science on Stage“ fortgeführt und bezog nun alle Naturwissenschaften mit ein. Das Angebot findet große Resonanz. Mittlerweile erreicht das Netzwerk über 40 000 Lehrerinnen und Lehrer in 26 Ländern.

Das Festival lässt sich wohl am besten als Jahrmarkt der Ideen bezeichnen, hier ist dieser Ausdruck einmal nicht überstrapaziert. Wer durch die wuseligen Flure, Säle und Foyers des Collegium Polonicum schlendert, sieht sich mit einer bunten Fülle an Projekten für den naturwissenschaftlichen Unterricht konfrontiert, voller kreativer Improvisation und witziger Ideen. Etwa bei einem Stand der britischen Delegation: Dort dreht sich alles nur ums Geld, allerdings für rein didaktische Zwecke – egal ob in Münz-, Schein- oder sogar Kartenform. Die Oberflächenspannung von Wasser lässt sich ganz einfach demonstrieren: Einfach ein Glas bis zum Rand mit Wasser füllen, eine EC-Karte zur Hälfte auf der Wasseroberfläche positionieren und so lange Münzen auf die überhängende Hälfte stapeln, bis die Karte herunterfällt. Zum Einsatz kommen Yen-Münzen, die ziemlich genau ein Gramm wiegen, sodass sich die Oberflächenspannung sogar grob messen lässt.

Alle Teilnehmerinnen und Teilnehmer, die sich diesmal unter dem Motto „Crossing Borders in Science Teaching“ treffen, haben sich in nationalen Vorauswahlen für das alle zwei Jahre stattfindende, europäische Festival qualifiziert – erstmals sind mit Deutschland und Polen zwei Länder Ausrichter. Die Motivation umschreibt Jacek Witko, der Vizekanzler der Adam-Mickiewicz-Universität in Poznan, bei der Eröffnungsfeier: „Es ist notwendig, dass die Wissenschaft aus dem Elfenbeinturm herauskommt, am besten mit einer Mischung aus Spaß und seriöser Forschung.“ ...

Gibt es Leben in All? Diese Frage beschäftigte schon antike Philosophen wie Lukrez, der über „andere Erden“ spekulierte. Im Mittelalter postulierte Giordano Bruno nicht nur ein unendliches All, sondern auch, dass „unzählige Welten ähnliche dieser Erde“ existieren. Für viele Jahrhunderte blieb die Frage nach Planeten und erst recht Leben außerhalb unseres Sonnensystems rein philosophisch. Nicht einmal zwanzig Jahre ist es her, dass der Schweizer Astronom Michel Mayor mit seinem Mitarbeiter Didier Queloz im Jahr 1995 erstmals einen Planeten um einen Stern im Sternbild Pegasus ähnlich unserer Sonne entdeckte, was ein amerikanisches Team kurz danach bestätigte. Vorher hatte es allerdings schon Beobachtungen gegeben, die zumindest Rückschlüsse auf die Existenz von Exoplaneten erlaubten, wie z. B. ein substellares Objekt und drei Planeten, die um die Überreste eines Sterns (Pulsar) kreisten. Doch erst mit der Entdeckung von 51 Pegasi b, einem heißen Gasplaneten, war die Existenz extrasolarer Planeten unzweifelhaft erwiesen.

Heute halten die Entdeckungen kleiner, teilweise felsiger Planeten die Welt der Astronomie in Atem. Die Frage, wie nah wir davor stehen, eine „zweite Erde“ zu entdecken, ist ins Zentrum des Interesses gerückt. Könnten um andere Sterne Planeten kreisen, die Leben tragen? Darauf gibt es (noch) keine Antwort, aber durchaus mögliche Indizien. ...

Wasser bedeckt etwa 70 Prozent der Erdoberfläche. Schon die enorme Größe der Ozeane macht deutlich, dass sie ein wichtiger Teil des Klimasystems sind. So absorbiert Wasser den größten Teil der Sonneneinstrahlung und speichert die Wärme. Strömungen verteilen die Wärme, bevor sie wieder an die Atmosphäre abgegeben wird. Die Weltmeere sind ständig in Bewegung: Die variierende Sonneneinstrahlung, die vom Äquator zu den Polen abfällt, sowie die Gravitationskräfte von Sonne und Mond treiben eine Fülle von kleinen und großen, schnellen und langsamen Strömungen von der Oberfläche her an. Die Erdrotation beeinflusst die Richtung der Strömungen.
Der Golfstrom im Nordatlantik ist wohl die bekannteste oberflächennahe Meeresströmung. Bei 38° nördlicher Breite transportiert er rund 90 Millionen Kubikmeter pro Sekunde nordwärts (das sind 90 Sv; 1 Sverdrup = 106 m3/s), während er nur etwa 100 km breit und 800 m tief ist. In allen großen Ozeanbecken und auf beiden Halbkugeln existieren Ströme mit ähnlichen Strukturen (Abb. 1). Auffallend sind starke polwärts gerichtete Ströme, die in den mittleren Breiten am westlichen Ozeanrand auftreten. Diese westlichen Randströme sind hauptsächlich für den Wärmetransport der Ozeane von den Tropen in die höheren Breiten verantwortlich. Strömungen dieser Art entstehen vor allem durch den Wind und beschränken sich auf die oberen 500 bis 1000 Meter des Ozeans. ....

Mitten in dem zehn Kilometer langen Autobahntunnel der italienischen A24, zwischen Teramo und L’Aquila und rund hundert Kilo­meter von Rom entfernt, leuchten plötzlich orangefarbene Warnleuchten auf, die den fließenden Verkehr darauf vorbereiten sollen, dass unser Kleinbus abbremst. Dem Schild „INFN solo autorizzati“ folgend, biegen wir rechts in einen Seitenstollen ein und passieren eine Schranke sowie ein großes Stahltor. Als der Wagen an einer Kabine mit Sicherheitspersonal anhält, schließt sich das Tor wieder. Schlagartig verschwindet das Rauschen des Straßenverkehrs, Stille kehrt ein. Gemeinsam mit Technikern und Physikern, die der Kleinbus an ihren Arbeitsplatz gebracht hat, befinde ich mich im größten Untergrundlabor der Welt, dem vor 30 Jahren gegründeten Laboratori Nazionali del Gran Sasso des italienischen Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Hier unten, abgeschirmt von der kosmischen Strahlung durch 1400 Meter dickes Gestein der fast 3000 Meter hohen Abruzzen, jagen internationale Kollaborationen von Physikern äußerst flüchtige Teilchen wie Neutrinos oder versuchen, extrem seltene Reaktionen nachzuweisen. Damit tasten sie sich in die Terra incognita jenseits des Standardmodells vor. Ihr Ziel: einige der großen Fragen der Teilchenphysik zu beantworten. Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen? Welche anderen Eigenschaften haben die drei bekannten Neutrinotypen? Gibt es Dunkle ­Materie und wenn ja, woraus ­besteht sie? ...

Den Ursprung der chemischen Elemente zu ergründen ist ein modernes Forschungs­gebiet. Ausgefeilte Theorien, leistungsfähige Teleskope und komplexe Supercomputersimulationen zeichnen die gesamte Geschichte des Universums nach, seiner Bausteine – etwa die Sterne – und deren Wechselwirkungen, seit den Anfängen vor 13,7 Milliarden Jahren bis heute. Doch nicht nur das „woher?“, sondern auch das „wie viel?“ ist von zentraler Bedeutung. Denn nur wenn wir die dahinter liegende Physik verstehen, können all diese Untersuchungen nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ den heutigen Kosmos mit all seinem Reichtum an exotischen Stoffen wiedergeben.
Die leichten chemischen Elemente entstanden unter extremen Bedingungen bereits innerhalb der ersten halben Stunde nach dem Urknall. In seiner ursprünglichsten Form bestand das Universum zu drei Vierteln aus Wasserstoff (1H und 2D) und einem Viertel aus Helium (hauptsächlich 4He und geringe Anteile an 3He). „Schwere“ Elemente wie Lithium und Beryllium existierten nur in vernachlässigbarem Maße. Dennoch ist unser heutiger Kosmos von massereichen Kernen durchzogen. Die Astronomen fassen alle Elemente schwerer als Helium salopp als „Metalle“ zusammen, ob es nun Kohlenstoff, Sauerstoff oder Eisen ist. Die heutigen Anteile an Wasserstoff, Helium und Metallen in der Umgebung der Sonne betragen 73,8, 24,9 und 1,3 Prozent. ...