• 4/2018 • Seite 18Neue Messungen und Analysen weisen auf eine felsige Struktur bei den Planeten des Sterns Trappist-1 hin. Die erdähnlichen Planeten könnten Atmosphären sowie flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche besitzen.
• 5/2009 • Seite 31Die Erde lässt sich besser verstehen, wenn wir ihre nahen Verwandten genauer kennen. Daher haben viele Raumsonden die Planeten und Monde unseres Sonnensystems unter die Lupe genommen und dabei u. a. Vulkanismus gefunden, der Auskunft über das Innere eines Himmelskörpers gibt. Einige Planeten besitzen ein Magnetfeld, das sich in den planetaren Raum ausbreitet und wie ein Schutzschild wirkt. Spannend bleibt die Suche nach Wasser auf anderen Planeten und Monden. Kann es dort Leben geben? Zusätzlich zur gedruckten Fassung enthält die Online-Version des Artikels eine Tabelle der geplanten und abgeschlossenen Planetenmissionen.
• 10/2017 • Seite 35Neue experimentelle Methoden und die Entdeckung erdähnlicher Exoplaneten bieten vielversprechende Ansätze, um der Entstehung des Lebens auf die Spur zu kommen.
Die Frage nach dem Ursprung des Lebens ist alt und trotz vieler Ansätze noch unbeantwortet. Die Entdeckung extrasolarer Gesteinsplaneten hat das Interesse daran neu entfacht und in einen astronomischen Kontext gestellt. Neue Konzepte, um den Übergang von lebloser zu lebender Materie zu verstehen, erfordern es, physikalische und chemische Perspektiven stärker zu berücksichtigen.
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...
• 2/2012 • Seite 25Unter den vielen entdeckten Exoplaneten könnten auch solche sein, die Leben tragen. Die große Herausforderung ist, dies aus riesiger Entfernung nachweisen zu können.
Mit der Entdeckung der ersten erdähnlichen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems ist die faszinierende Frage nach Leben im All ins Blickfeld der Forschung geraten. Die spektralen Signaturen in den Atmosphären extrasolarer terrestrischer Planeten könnten dafür die entscheidenden Indizien liefern. Die Entdeckung einer „zweiten Erde“ wäre damit in naher Zukunft greifbar.
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. ...
• 6/2013 • Seite 22Das Kepler-Team vermeldet die Entdeckung zweier etwa erdgroßer Planeten in der habitablen Zone.
Die Pierre-Auger-Kollaboration findet Hinweise darauf, dass Aktive Galaktische Kerne kosmische Teilchen auf höchste Energien beschleunigen.
• 5/2020 • Seite 28Unter der Eiskruste des Saturnmondes Enceladus könnten einfache Lebensformen existieren.
Flüssiges Wasser, Energie und Bausteine organischer Chemie gelten als Voraussetzung für die Entwicklung des Lebens auf der Erde. Eine Mission zum Saturnmond Enceladus könnte klären, ob dort ebenfalls Leben möglich ist.
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. (...)
• 11/2016 • Seite 22In der habitablen Zone von Proxima Centauri wurde ein Planet mit einer erdähnlichen Masse entdeckt.
• 10/2017 • Seite 41Die faszinierenden Eigenschaften von Wasser lassen sich nicht allein durch die Existenz von Wasserstoffbrückenbindungen erklären.
Der einfache Aufbau von Wassermolekülen aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen lässt nicht ahnen, wie zahlreich die Anomalien des Wassers sind. Die Fähigkeit, Wasserstoffbrückenbindungen aufzubauen, reicht nicht aus, um alle Besonderheiten zu erklären. Erst das Einbeziehen des komplizierten Zusammenspiels mit weiteren Eigenschaften des Moleküls erlaubt ein tieferes Verständnis.
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...
• 11/2015 • Seite 29An Grenzflächen bilden Wassermoleküle eine Schicht mit völlig neuartigen Eigenschaften.
Flüssiges Wasser und Eis sind zwar chemisch identisch, haben aber physikalisch völlig unterschiedliche Eigenschaften. Weit weniger geläufig ist die Tatsache, dass Wasser auch im flüssigen Zustand nicht immer gleich ist. Grund ist die räumlich ausgedehnte Struktur des Netzwerks aus Wasserstoffbrücken. Wird dieses nämlich von einer Grenzfläche durchschnitten, entsteht ein neuer Typus flüssigen Wassers: Grenzflächenwasser. Dessen Eigenschaften unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht und oft fundamental von normalem, flüssigem Wasser („Bulk“-Wasser).
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...
Im Zuge der Französischen Revolution gab es große Anstrengungen, das damals verworrene Messwesen zu vereinheitlichen. So sollte z. B. das Längenmaß nicht mehr „auf der Armlänge eines König basieren". Heute stellt sich die Suche nach universellen Maßeinheiten aufs Neue: Die Basiseinheiten sollen künftig mit Hilfe von Naturkonstanten definiert werden, um sie so unabhängig von physikalischen Maßverkörperungen, sog. Artefakten, oder speziellen Messvorschriften zu machen. Auch das „Kelvin", die Einheit der Temperatur, gilt es nun neu zu definieren.
Matthias Maurer ist bereit für seine erste Mission zur Internationalen Raumstation.
Am European XFEL erweitert die Helmholtz International Beamline for Extreme Fields die Experimentiermöglichkeiten.
TitelbildWelche 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
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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.
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.
Zunehmende Temperaturen auf der Südhalbkugel des Roten Planeten lassen das Eis auf den Dünen schmelzen.
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.
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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
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„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.
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.
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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)
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.
Der erste Nachweis solarer Neutrinos vor 50 Jahren sorgte für ein Rätsel.
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.
Sein Modell des Magnetismus wird zu einer wissenschaftlichen Erfolgsgeschichte, ohne dass er dies über viele Jahre lang mitbekommt.
Wie wird wissenschaftlich über etwas geschrieben, das nicht in das Weltbild passt?
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• 10/2018 • Seite 20Radarmessungen der Mission Mars Express deuten darauf hin, dass es am Südpol des Mars in einer Tiefe von rund 1,5 Kilometern flüssiges Wasser geben könnte.
• 12/2019 • Seite 41Seit 20 Jahren beobachtet XMM-Newton die Röntgenstrahlung energiereicher Ereignisse.
Alle Teilgebiete der Astronomie setzen heute Beobachtungen im Röntgenlicht ein. Sie helfen, die Fragen zu beantworten, ob ein Exoplanet bewohnbar ist, wie Neutronensterne und Schwarze Löcher Materie akkretieren und was die Dunkle Materie ist. Da die Erdatmosphäre hochenergetische Strahlung absorbiert, lässt sich der Röntgenhimmel nur vom Weltall aus beobachten, beispielsweise seit 20 Jahren mit dem Röntgenobservatorium XMM-Newton.
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...
• 5/2020 • Seite 22Eine neue Messung des elektrischen Dipolmoments des Neutrons halbiert die bisherige Obergrenze und reduziert den systematischen Fehler wesentlich.
Messungen dreier Raumsonden deuten darauf hin, dass sich Wasser auch auf dem Mond findet.
• 12/2019 • Seite 24Der diesjährige Physik-Nobelpreis würdigt theoretische Entwicklungen in der Kosmologie und die Entdeckung des ersten Exoplaneten um einen sonnenähnlichen Stern.
Der Physik-Nobelpreis wird in diesem Jahr vergeben für Beiträge zum Verständnis der Evolution des Universums und des Platzes der Erde im Kosmos: Eine Hälfte des Preises geht an den kanadischen Kosmologen James Peebles für seine theoretischen Entdeckungen auf dem Gebiet der physikalischen Kosmologie. Die andere Hälfte teilen sich die beiden Schweizer Astronomen Michel Mayor und Didier Queloz für die Entdeckung des ersten extrasolaren Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist.
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...
• 5/2009 • Seite 37Seit der Entdeckung der vier großen Jupitermonde konnten Astronomen viele ihrer Geheimnisse entschlüsseln. Sie haben geologische Aktivität gefunden und ihre Wechselwirkung mit der Magnetosphäre genau untersucht. Doch viele Rätsel, wie der innere Aufbau der Monde oder die Frage, ob einer von ihnen über flüssiges Wasser verfügt, sind nach wie vor ungelöst. So hat die Welt der Galileischen Monde nichts von ihrer Faszination eingebüßt.
WE-Heraeus Physics School and 60th Karpacz Winter School on Theoretical Physics
Bad Honnef Physics School
Wissenschaftlich gut beraten; Space Race für die Leinwand; Erde unter Beobachtung; Kostenlos im Bilde
Lange Zeit galt unser Sonnensystem als das einzige bekannte Planetensystem und unsere Erde als der einzige Ort im Universum, der Leben trägt. Doch die Entdeckung von neuen „Welten“ um andere sonnenähnliche Sterne bestätigt das verallgemeinerte Kopernikanische Prinzip, dem zufolge unser Sonnensystem im Universum nicht einzigartig sein kann. Das stellt die theoretischen Astrophysiker nun vor die Herausforderung, die Theorien der Planetenentstehung dem aktuellen Beobachtungsstand anzupassen.
7/2011 • Seite 1Mit dem Spektrometer KATRIN versuchen Wissenschaftler, dem Geheimnis der Neutrinos auf die Spur zu kommen. (vgl. S. 31, Foto: Michael Zacher (bearb.))
• 2/2026 • Seite 34 • DPG-MitgliederInterview mit dem deutschen ESA-Astronauten Matthias Maurer, der hofft, zum Mond fliegen zu dürfen.
Der Materialwissenschaftler Matthias Maurer verpasste nur knapp einen Platz in der ESA-Klasse 2009, der unter anderem Alexander Gerst angehört, und ging stattdessen als Crew Support Engineer zur ESA. Zum Astronauten wurde er 2015 ausgebildet und flog 2021 in der Mission „Cosmic Kiss“ zur Internationalen Raumstation ISS. Heute leitet er die LUNA Analog Facility in Köln. Das Trainingszentrum wird von der ESA und vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt betrieben.
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. (...)
Die Raumsonde Juice ist zum Jupiter gestartet, um ihn und seine Eismonde zu untersuchen.
Interview mit Wolfgang Baumjohann
Auch Chinas Mars-Rover ist jetzt auf dem Roten Planeten unterwegs.
Ob und wie Quanten- und Weltraumforschung in Horizon Europe für Institutionen assoziierter Länder zugänglich werden, steht noch nicht endgültig fest.
Fortschritte in den geophysikalischen Methoden ermöglichen es heute, großräumige Temperaturvariationen im Erdinneren aufzulösen. Diese Beobachtungen liefern Hinweise auf große, den gesamten Erdmantel umfassende Konvektionswalzen. Durch diese gelangt heißes Material aus ozeanischen Rücken an die Erdoberfläche und taucht abgekühlt an den Subduktionszonen wieder in den Erdmantel ein. Im Computer lassen sich diese Prozesse, die für die Plattentektonik verantwortlich sind, heute simulieren.
• 11/2012 • Seite 18In Laborexperimenten erzeugte Plasmabögen ähneln denen in der Sonnenkorona.
• 10/2002 • Seite 29Bekannte physikalische Gesetze ermöglichen den Blick in das Erdinnere und liefern den Schlüssel zum Verständnis seiner komplizierten Dynamik.
Zahlreiche Nobelpreisträgerinnen und -träger und weitere Persönlichkeiten rufen zum Handeln auf, um die globalen Probleme zu bewältigen.
Planetenforscherinnen und -forscher gründen die „Europlanet Society“.
Die NASA-Sonde InSight ist erfolgreich auf dem Mars gelandet, und die Vorbereitungen für die Messungen haben begonnen.
Susumu Kitagawa, Richard Robson und Omar M. Yaghi erhalten den Chemie-Nobelpreis 2025 „für die Entwicklung metallorganischer Gerüstverbindungen“.
Russische Forscher fanden erste experimentelle Hinweise auf einen Plasmaphasenübergang von Wasserstoff.
• 3/2011 • Seite 23Im Gran-Sasso-Labor in den italienischen Abruzzen versuchen Physiker, einige der großen Fragen der Teilchenphysik zu beantworten.
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? ...
• 7/2019 • Seite 26Interview mit dem Planetologen Ralf Jaumann zur Mondforschung vor und nach Apollo 11
Am 21. Juli 1969 betrat Neil Armstrong als erster Mensch den Mond. Mit Apollo 11 hatten die USA die Sowjetunion in der Raumfahrt überflügelt. Doch das Ende des Wettrennens im Weltraum markiert gleichzeitig eine neue Ära der Erforschung des Mondes und des Sonnensystems.
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...
• 7/2013 • Seite 26Das Festival „Science on Stage“ fand vom 25. bis 28. April in Frankfurt/Oder und Slubice statt.
Das muss für manche Schüler der Alptraum sein: ein ganzes Gebäude voller Paukerinnen und Pauker, ausschließlich der oft so ungeliebten Fächer wie Physik, Mathe oder Chemie. Mehr als 350 Lehrkräfte aus 24 europäischen Ländern und Kanada trafen sich Ende April in Frankfurt/Oder und in der polnischen Kleinstadt Slubice, direkt am anderen Oder-Ufer gelegen. Anlass war das „Science on Stage“-Festival. Über vier Tage tauschten sich die Teilnehmer mit ihren Kollegen aus, an Ständen, bei Vorträgen, in Workshops und nicht zuletzt auf der Bühne.
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.“ ...
Katrina, Rita, Andrew: Diese Namen tropischer Wirbelstürme sind uns aus den Nachrichten vertraut. Doch woher beziehen diese Sturmsysteme die Energie für ihre Zerstörungskraft und was unterscheidet Hurrikane von Tornados? Obwohl die genauen Ursachen noch nicht vollständig verstanden sind, sollen hier die wichtigsten Charakteristika und die Physik dieser gewaltigen Wetterphänomene beleuchtet werden.
• 11/2015 • Seite 19Trotz tiefer Temperaturen und niedrigem Druck scheint es Wasser auf dem Mars zu geben. Möglich ist dies durch verschiedene Salzverbindungen, die den Gefrierpunkt senken.
Welche Gefahren bergen Implantate und Kleinroboter, wenn sie militärisch genutzt werden, und wie lässt sich einem Missbrauch vorbeugen?
Die Internationale Energieagentur beschreibt in einer Roadmap drei Szenarien, von denen eines bis zum Jahr 2050 zu Null Emissionen netto führen soll.
Die Astronomie feiert derzeit ein goldenes Zeitalter, besonders gewürdigt durch das diesjährige Internationale Jahr der Astronomie. Maßgeblich verdankt sich das einer stürmischen instrumentellen Entwicklung, die neue Beobachtungsfenster weit öffnet, die vorher bestenfalls zu ahnen waren. Die Flut neuer Daten liefert dabei ebenso viele überraschende Ergebnisse wie neue Fragen.
Staatliche Universitäten in der Klemme Treibstoff durch Photosynthese Arecibo lauscht weiter Neueinstellungen der Physik-Departments
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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.
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.
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.
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.
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“.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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 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.
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.
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.
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Eine uralte Frage lautet: Woraus besteht unser Universum? Diese Frage stellt sich erneut, denn eine dunkle Energie dominiert unser Universum - und wir wissen nicht, was sie ist und welchen Platz sie im Gebäude der Physik einnehmen könnte. Vielleicht ist sie die von Einstein erfundene und wieder verworfene kosmologische Konstante - oder aber ein dynamisches Quantenfeld, die ''Quintessenz''. Quintessenz war schon immer geheimnisumwittert: Die Griechen der Antike sahen in diesem Äther ein im Gegensatz zu Erde, Wasser, Luft und Feuer unfassbares fünftes Element. Im Mittelalter wollten Alchimisten die Quintessenz als reinstes Elixier destillieren. Und auch für die Kosmologen und Astrophysiker von heute ist Quintessenz die große Unbekannte.
... und wie robust diese ist, wird durch das Verhalten der Flüssigkeit zwischen den Sandkörnern bestimmt.
• 11/2020 • Seite 20 • DPG-MitgliederSelbst in einem so einfachen System wie der Wasserstoffkette im Grundzustand treten unerwartete Vielteilchenphänomene auf.
Der deutsche ESA-Astronaut Matthias Maurer startet im Herbst zu seiner ISS-Mission „Cosmic Kiss“.
• 11/2017 • Seite 28Interview mit dem deutschen ESA-Astronauten Alexander Gerst, der 2018 zu seiner zweiten Mission auf die ISS aufbrechen wird.
2009 wurde der deutsche Geophysiker Alexander Gerst (41) aus über 8000 Bewerbern als neuer ESA-Astronaut ausgewählt. Fünf Jahre später absolvierte er mit „Blue Dot“ seine erste Mission auf der internationalen Raumstation ISS. 2018 wird er zur Mission „Horizons“ aufbrechen und in der zweiten Hälfte als Kommandant fungieren.
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...
· Neue Prioritäten bei NASA· Tevatron und B Factory auf dem Prüfstand· Lizenz zum Forschen· Schlacht um Los Alamos· Nanotechnologie-Report
• 12/2021 • Seite 35 • DPG-MitgliederAktive Fluide zeigen überraschende Eigenschaften vom Strömungsverhalten bis zur Strukturbildung.
Aktive Fluide bestehen aus vielen wechselwirkenden Teilchen, die Energie dissipieren und sich eigenständig fortbewegen können. Die Untersuchung dieser Systeme hat ein spannendes Feld der Physik fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht mit völlig neuartigen Phänomenen und Anwendungsfeldern eröffnet.
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. (...)
Rund 100 Meter unter der Erde wird derzeit der 7000 Tonnen schwere ATLAS-Detektor, eines der zentralen Experimente des Large Hadron Colliders am CERN, zusammengebaut (vgl. S. 29. Quelle: CERN).
9/2014 • Seite 77Jahresbericht des Vorstands und der Geschäftsführung zu Aufgaben und Aktivitäten der DPG, aus dem Physikzentrum Bad Honnef und dem Magnus-Haus Berlin
Der neue Dunkle-Materie-Detektor COSINUS soll widersprüchliche Messresultate aufklären.
• 4/2020 • Seite 16Der experimentelle Nachweis eines Übergangs beim Betazerfall von hilft dabei, die Entwicklung von Sternen mittlerer Masse genauer vorherzusagen.
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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.
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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.
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.
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.
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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.
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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.
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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.
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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?
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.
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.
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.
Zu den Schrecken aller Gastgeber zählen Gäste, die gerne mal Weingläser fallen lassen. Dieses Experiment allerdings verspricht einen harmlosen Schrecken ohne Scherben.
Sie war die erste Physikprofessorin Amerikas, musste aber zeitlebens um ihre Stellung kämpfen.
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.
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647. WE-Heraeus-Seminar
· Handelsembargo oder Pressefreiheit· Wissenschaftler protestieren gegen Bush-Regierung· Dunkle Energie auf Eis gelegt · Kongressreport bestätigt Visaprobleme· APS kritisiert Wasserstoffinitiative
• 1/2026 • Seite 28Das Stratosphären-Observatorium SOFIA hat in seinen 12 Betriebsjahren viele wichtige Erkenntnisse zur Infrarotastronomie geliefert.
Das Stratosphären-Observatorium für Infrarotastronomie SOFIA war als Fluggerät ein Unikat in der Luftfahrt- und der Wissenschaftsgeschichte. Seine wissenschaftliche Mission ist beendet, doch die Auswertung der astronomischen Daten wird noch Jahre in Anspruch nehmen. Das extrem anspruchsvolle Projekt beschritt sowohl luftfahrt- wie auch messtechnisch Neuland und führte zu zahlreichen wissenschaftlichen Ergebnissen.
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. (...)
Ein Rückblick auf das physikalische Werk des Physikers, Philosophen und Friedensforschers Carl Friedrich von Weizsäcker anlässlich seines 90sten Geburtstages am 28. Juni.
• 11/2021 • Seite 25 • DPG-MitgliederMithilfe von Quantentechnologien lassen sich Prozesse aus der Umwelt analysieren, die über hunderte von Jahren ablaufen.
Die Vorgänge in der Umwelt in allen Details zu verstehen, ist praktisch unmöglich. Um Umweltveränderungen genau zu beobachten, gilt es, mit modernsten Messmethoden alle zugänglichen Informationen zu erschließen. Die Spurenanalyse auf dem Einzel-Atom-Niveau liefert völlig neue Einblicke in grundlegende Prozesse, die in Wasser, Eis oder Permafrost über hunderte von Jahren ablaufen. Dieses Beispiel zeigt, wie moderne quantenoptische Methoden der Umweltforschung neue Möglichkeiten eröffnen.
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. (...)
• 4/2019 • Seite 29An der National Ignition Facility lassen sich Plasmen erzeugen, welche die Bedingungen im Inneren von Sternen reproduzieren – aber nur für Sekundenbruchteile.
Durch Fusionsreaktionen in Sternen entstehen neue Elemente. Um die Mechanismen dahinter zu verstehen, müssen die Reaktionsraten genau bekannt sein. Allerdings erweist es sich als äußerst aufwändig, die Bedingungen eines stellaren Plasmas im Labor zu reproduzieren. Darüber hinaus stellt die Analyse der messbaren Daten eine enorme Herausforderung dar.
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. (...)
Vom Todesstrahl zum Laserpointer – die ambivalente Karriere des Lasers
10/2015 • Seite 1Moderne Prothesen ermöglichen den Anwendern ein fast normales Leben. Hobbys wie Wandern oder Schwimmen sind damit kein Problem. (Bild: Ottobock, vgl. S. 25)
592. WE-Heraeus-Seminar
589. WE-Heraeus-Seminar
In einer Lösung bewegen sich geladene Teilchen entlang eines Temperaturgradienten, während zwischen ruhenden Teilchen eine hydrodynamische Anziehung besteht.
· Klimaänderung bei Bush?· Repräsentantenhaus für Weltjahr der Physik· Kerry gegen Yucca Mountain· Staat gibt Unis soviel Forschungsmittel wie noch nie· Bushs Forschungsprioritäten für 2006
Experimente für den Physikunterricht lassen sich mit alltäglichen Gegenständen selbst bauen. (vgl. S. 89)
• 11/2011 • Seite 23Turbulenz, Konvektion und die Umwälzbewegung in den Weltozeanen
Während Westeuropa durch den warmen Golfstrom ein relativ mildes Klima genießt, ist es auf entsprechenden Breitengraden an der Westküste Nordamerikas wesentlich kälter. Das liegt daran, dass die globale Umwälzbewegung in den Ozeanen asymmetrisch ist. Das Wasser des Golfstroms wird im Nordatlantik so dicht, dass es durch Konvektion absinkt und in der Tiefe wieder nach Süden strömt. Im Nordpazifik gibt es zwar einen dem Golfstrom sehr ähnlichen Strom, aber keine solche Konvektion. Was sind die Ursachen für diese Asymmetrie?
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. ....
· Viel Geld für Geoprojekt· Absolut sicherer Kernreaktor?· Neues von der Hochenergiephysik· NIH-Roadmap für physikalische Forschung
Eine der fundamentalen Fragen der heutigen Astrophysik ist, wie aus dem außerordentlich homogenen, isotropen und einfachen Urplasma die heute beobachtete wunderbare Vielfalt von Galaxien entstehen konnte. Angesichts der kosmologischen Zeitskalen, auf denen sich Galaxien entwickeln, sind alle Beobachtungen Momentaufnahmen. Daher lassen sich nur im detaillierten Vergleich zwischen Beobachtungen und numerischen Modellen Entwicklungszusammenhänge verstehen und z. B. auf sog. tiefen Belichtungen unter den schwachen, entfernten, jungen Galaxien Vorläufer bestimmter Galaxientypen identifizieren, die wir heute in geringer Entfernung beobachten. Ein solches numerisches Modell, das erstmals die spektrale und die chemische Entwicklung von Galaxien gekoppelt auf kosmologischen Zeitskalen beschreibt, haben wir in meiner Arbeitsgruppe an der Universitätssternwarte Göttingen in den letzten Jahren entwickelt.
• 6/2017 • Seite 29Was kann uns Komet 67P/Tschurjumow-Gerassimenko über seine Bildungsprozesse verraten?
Schon immer haben Kometen mit ihrem langen Staubschweif die Menschheit begeistert. Dank moderner Beobachtungstechniken und himmelsmechanischer Rechnungen wissen wir heute sehr viel mehr über sie als in historischer Zeit, in der sie als Unheilsbringer galten. Heutzutage betrachten wir Kometen als Teil des Inventars und der Geschichte unseres Sonnensystems. Aus ihrer Erforschung können wir viel über die Entstehung unserer Heimatwelt lernen. Die Rosetta-Mission zum Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko hat einen reichen Schatz an Daten geliefert.
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...
• 2/2011 • Seite 27Der Reichtum an chemischen Elementen geht auf Jahrmilliarden der Nukleosynthese zurück.
Die Fragen, woher wir kommen und woraus wir bestehen, haben die Menschheit seit Urzeiten beschäftigt. Da wir über die Elemente und ihre Bausteine schon recht viel wissen, sollte die Frage nun eher lauten: Woher kommt, woraus wir bestehen? Der menschliche Körper besteht zu 56 Prozent aus Sauerstoff und zu 28 Prozent aus Kohlenstoff – doch welche kosmischen Prozesse produzierten diese Elemente? Und das Silizium, welches letztlich das Schreiben dieses Artikels auf einem Computer ermöglicht?
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. ...
Sand und Wind sind die notwendigen Zutaten, damit Dünen entstehen können. Diese faszinierenden Landschaftsformen, die selbst auf dem Mars existieren, werden nach ihrem Aussehen in über hundert verschiedene Typen klassifiziert. Die Transportvorgänge der Sandkörner auf der Oberfläche liefern den Schlüssel, um zu verstehen, wie sich Dünen bilden und verändern.
• 6/2015 • Seite 31Rotierende Neutronensterne eignen sich ideal zum Testen der Allgemeinen Relativitätstheorie in starken Gravitationsfeldern.
Ähnlich zu elektromagnetischen Wellen sollten auch Gravitationswellen existieren, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Auch wenn diese Wellen bislang nicht direkt beobachtet wurden, steht ihre Existenz inzwischen außer Frage. Der indirekte Nachweis gelang mithilfe von kosmischen „Leuchttürmen“, den Pulsaren. Ihr Bahnumlauf beschleunigt sich messbar, da sie aufgrund der Abstrahlung von Gravitationswellen Bahnenergie verlieren.
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...
Das Erdmagnetfeld spielt eine wichtige Rolle für das Leben auf der Erde. Es bietet einen Schutzschild gegen hochenergetische ionisierende Strahlung aus dem All und wird nicht nur vom Menschen mithilfe des Kompasses, sondern auch von Tieren zur Navigation genutzt. Heutzutage vermessen Satelliten das Erdmagnetfeld mit äußerster Genauigkeit. Doch woher kommt überhaupt dieses Magnetfeld? Mithilfe von Experimenten und numerischen Simulationen lassen sich manche Eigenschaften des Erdmagnetfelds mittlerweile gut reproduzieren und Theorien über die zugrundeliegenden Mechanismen im Erdinnern formulieren. Viele Fragen sind noch zu klären. Ist es bloßer Zufall, dass magnetische und geographische Pole näherungsweise zusammenfallen? Wird das Magnetfeld möglicherweise bald verschwinden?
• 11/2014 • Seite 35Die Jagd nach Teilchen der Dunklen Materie kommt in ihre bisher spannendste Phase.
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.
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 Ωb 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 Ωb=(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 Ωb = (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 ΩDM= (26,6 ± 0,7)% – rund fünfmal mehr als die bekannte baryonische Materie. Die restlichen ΩΛ=(68,6 ± 2,0)% werden der Dunklen Energie zugeschrieben. ...
Atomkerne kosmischer Materie entstehen in Kernfusions-Reaktionen an besonderen Orten im Universum. Dieser Prozess, die Nukleosynthese, ist Teil der Entwicklung des Universums, insbesondere prägt die Produktion frischer Elemente die Entwicklung des interstellaren Materie und der Galaxien. Ständig findet Kernfusion statt - vergleichsweise stetig im Innern der Sterne und spektakulär in Sternexplosionen, den Novae und Supernovae.
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