Hauptmenü:
Das Universum und die Schwerelosigkeit
Jahrtausende lang waren die Sterne für die Menschen unerreichbar. Sie befanden sich in einer fernen, unbekannten Sphäre. Menschen konnten sie nur beobachten und sich die Welt der Gestirne mit Phantasie ausmalen und so zu erklären versuchen. Heute erlaubt uns die moderne Technik Einblicke in ungeahnte Tiefen des Alls, und die Raumfahrt ermöglicht uns Reisen in unsere nähere kosmische Umgebung. Doch noch immer sind viele der faszinierenden Rätsel des Universums ungelöst.
Anfänge
Wahrscheinlich haben schon unsere frühesten Vorfahren den Blick zum Himmel gerichtet und über Sonne, Mond und Gestirne gestaunt. Mit dem Sesshaftwerden der Menschen und dem Beginn der Ackerbaukulturen kam die Himmelskunde besondere Bedeutung zu. In den Hochkulturen der Sumerer, der Babylonier oder der alten Ägypter zeichneten Sternenkundige auf, wann die Sonne auf- und unterging, wie die Mondphasen einen Monat unterteilten, wie die Sonne von Tag zu Tag immer an einem anderen Punkt auf und unterging und dabei offenbar einen bestimmten Jahreszyklus durchlief. Auf der Basis solcher Beobachtungen schufen die alten Himmelskundigen den ersten Kalender – ein wichtiges Hilfsmittel, um in den Agrargesellschaften den günstigsten Zeitpunkt für Aussaat und Ernte festzulegen.
Zyklen
Frühe Beobachter stellten auch schon fest, dass es von Zeit zu Zeit besondere Himmelsereignisse wie Sonnen-oder Mondfinsternisse gibt und dass auch sie in festen Intervallen wiederzukehren schienen. Im Laufe eines Jahres schien die Sonne zwölf verschiedene Sternenkonstellationen zu passieren. Diese Konstellationen malte man sich als Sternbilder aus und erfand Mythen und Geschichten, die sie erklären, ihre Herkunft oder ihre Bedeutung charakterisieren sollten. Chinesische Astronomen der Zhou-Zeit (11. Jahrhundert bis 221 vor unserer Zeit) berechneten bereits, dass ein Jahr rund 365 Tage umfasst. Außerdem beobachteten sie Kometen, Supernovae (besonders helle, spektakuläre Sternexplosionen) und entdeckten, dass sich einzelne Sterne am Himmel bewegten. Sie stellten auch Überlegungen zur Natur dieser "Wandelsterne", die man später Planeten nennen wird, an. Die Mayas bauten Tempel und Pyramiden, die astronomischen Zwecken dienten, und sie schufen einen Kalender, der sich an den Bahnbewegungen der Venus orientierte.
Geozentrisches Weltbild
Die meisten alten Weltmodelle gingen davon aus, dass sich Sonne, Mond und alle Sterne um den Mittelpunkt der Welt, die Erde, drehen. Der wichtigste Astronom, der ein solches Weltbild zeichnete, war Claudius Ptolemäus. Gleichwohl leisteten die alten Astronomen schon Erstaunliches. Schon um 300 vor Christus wusste man in Griechenland, dass die Erde eine Kugel sein musste. Der Astronom Aristarch vermutete sogar schon, die Erde kreise um die Sonne, konnte es allerdings nicht beweisen. Hipparch stellte einen umfangreichen Sternenkatalog zusammen und berechnete die Entfernung des Mondes von der Erde.
Kopernikanische Wende
Eine wichtige Wende kam mit Nikolaus Kopernikus (1473 bis 1543). Er war der erste Sternbeobachter der neueren Geschichte, der erklärte, nicht die Erde, sondern die Sonne stehen im Mittelpunkt unserer kosmischen Umgebung. Johannes Kepler formulierte etwas später die Gesetze zur Bewegung der Planeten. Kurze Zeit später begann Galileo Galilei systematische Himmelbeobachtungen mit Hilfe eines Fernrohrs und entdeckte dabei unter anderem die vier größten der Jupitermonde und andere Himmelserscheinungen.
Mit den Forschungen Isaac Newtons wurde die Himmelsmechanik weiter geklärt. Auf der Basis von Keplers Gesetzen und Newtons Erkenntnissen war es dann möglich, die Größenverhältnisse im Sonnensystem exakt zu bestimmen und die Bewegungen von Planeten; Monden, Kometen und anderen Himmelskörpern exakt zu berechnen und vorherzusagen.
Im 18. und 19. Jahrhundert erlaubten immer größerer und bessere Teleskope ständig weitere Blicke ins Universum und brachten viele neue Erkenntnisse. Astronomen entdeckten bis dahin unbekannte Objekte, die Planeten Uranus und Neptun. Man konnte nun Sternhaufen und galaktische Nebel erkennen. Nun erkannte man auch, dass es verschiedene Sterntypen gibt.
Die Moderne
Im 20 Jahrhundert brachte zunächst die theoretische Physik und Astrophysik die Forschung voran: Albert Einsteins allgemeine und spezielle Relativitätstheorie revolutionierte das Weltbild und war ein riesiger Schritt zum Verständnis des Kosmos.
Vom Beginn der Raumfahrt-Ära an bekam die Astronomie wiederum eine neue Qualität. Menschen bewegten sich erstmals durch das All, besuchten den Erdmond und nahmen Bodenproben. Unbemannte Sonden flogen zu Mars, Venus, Jupiter, Saturn und zu vielen Planeten. Roboter untersuchten den Marsboden, andere analysierten die Atmosphäre der Venus, maßen den Sonnenwind, kartographierten Mondoberflächen oder erforschten die Magnetfelder von Planeten. Beobachtungsposten außerhalb der Erdatmosphäre wie das Weltraumteleskop Hubble erlaubten Blicke in ungeahnte Tiefen des Universums.
Was ist das Universum? Die Suche nach der Weltformel
Das Universum ist aus nur vier fundamentalen Kräften aufgebaut - nur: Wie genau?
Wie lautet die Formel, die die Welt beschreibt? Physiker versuchen, dem dem Kosmos die letzten Geheimnisse zu entlocken - wenn es ihnen gelingt. So vielgestaltig und bunt sich das Universum um uns herum auch zeigt - Physiker unterscheiden darin nur vier fundamentale Kräfte. Diese bilden gemeinsam das Standardmodell der Teilchenphysik. Darin vereint sind die Gravitation, die elektromagnetische Kraft, die Starke Kraft sowie die Schwache Kraft. Doch man weiß nicht genau, wie sie zusammen gehören wollen.
Das Universum ist von Dunkler Materie durchzogen.
Das Universum ist von Dunkler Materie durchzogen wie von einem Spinnennetz. Astronomen der Universität Pierre und Marie Curie in Paris haben zwei Millionen Galaxien in sieben Milliarden Lichtjahren Entfernung von der Erde beobachtet und die Dunkle Materie anhand verzerrter Lichtmuster dahinter liegender Galaxien identifiziert. Die Suche nach der Dunklen Materie ist eine der drängendsten Fragen der Astrophysik.
"Die Materie, aus der der Mensch besteht, umfasst zusammen mit den Sternen, Planeten und dem Gas nicht einmal vier Prozent des Alls", sagte der Astronom. "Wir wollen verstehen, was den großen Rest ausmacht." Dieser Rest sei überwiegend Dunkle Materie und Dunkle Energie. Die Dunkle Energie sei dafür verantwortlich, dass sich das Weltall in Zukunft immer schneller ausdehne.
"Die Dunkle Materie bewirkt, dass sich die gewöhnliche Materie - Sterne, Planeten, Gas, Staub - innerhalb der vergangenen 13,6 Milliarden Jahre zu Galaxien und Galaxienhaufen verdichtet hat", erläuterte Mannheim. Dies betreffe letztlich auch die Entstehung des Sonnensystems und der Erde. Mit Hilfe von neuartigen Teleskopen versuchten die Wissenschaftler, dieses Phänomen näher zu beleuchten. Dazu würden Messgeräte unter anderem in Tunneln, in der Tiefsee, aber auch in der Antarktis aufgebaut. "Diese Teleskope sind nicht für sichtbares Licht ausgelegt, sondern für andere Teilchen wie Neutrinos."
Neutrinos seien Verwandte der Dunklen Materie, weil sie kein Licht aussendeten. Sie könnten jedoch bereits im Labor untersucht werden. "Wenn die Neutrinos im Kosmos nachgewiesen werden können, hoffen wir, dass uns das Aufschlüsse über die Dunkle Materie liefert", sagen die Astrophysiker. Ziel sei, zu verstehen, wo der Platz des Menschen im Universum sei und wie Mikro- und Makrokosmos - die Welt des winzig Kleinen und die Welt des riesig Großen - im Urknall miteinander verbunden seien.
SCHWERELOSIGKEIT
Dichter schwärmten in Hymnen von ihr, Rockbands besangen sie: Die Schwerelosigkeit. Dabei bekommt kaum ein Mensch sie je am eigenen Leib zu spüren - wenn er nicht gerade Astronaut von Beruf ist. Die Schwerkraft der Erde hält jeden von uns fest am Boden der Tatsachen. Und das ist auch gut so: Auf lange Sicht ist der menschliche Körper nicht für die Schwerelosigkeit geschaffen.
>> Wem der Apfel auf die Birne fällt: Isaac Newton und das Prinzip der Schwerkraft
>> Die Schwerkraft hält uns am Boden
>> Schwerelosigkeit auf der Erde: Falltürme und Parabelflüge
>> Glücklich, aber geschwächt: Der Mensch in der Schwerelosigkeit
>> Mikrochips und Kaulquappen: Forschung in der Schwerelosigkeit
>> Mediziner hoffen auf Inspiration aus dem All
Isaac Newton (1643-1727) erkannte als erster das Prinzip der Schwerkraft
Wem der Apfel auf die Birne fällt: Isaac Newton und das Prinzip der Schwerkraft
Wissenschaft fällt manch einem in den Schoß, genauer gesagt: knapp daneben. Jedenfalls wenn man folgender Legende trauen darf: Demnach machte Isaac Newton um 1666 eine der bedeutendsten Entdeckungen der Physik, als er faul unter einem Baum im Garten saß. Plötzlich schreckte ihn ein herunterfallender Apfel aus den Gedanken. Dieses Erlebnis soll den damals erst 23-jährigen zu seinem Gravitationsgesetz inspiriert haben, das er Jahre später in seiner "Philosophia Naturalis Principia Mathematica" darlegte.
Newton hatte erkannt, dass es das gleiche Prinzip ist, welches den Apfel zu Boden fallen lässt und den Mond in seiner Bahn hält: Alle Körper ziehen sich an. Das fällt aber erst dann auf, wenn ein Körper kosmische Ausmaße hat. Je größer die Masse eines Körpers, desto größer seine Anziehungskraft (auch Schwerkraft oder Gravitation genannt). Die Erde hat beispielsweise eine sechs Mal so große Schwerkraft wie der Mond. Dass der Mond nun als kleinerer Himmelskörper nicht auf die größere Erde stürzt, liegt an seiner schnellen Bewegung um die Erde herum. Dadurch entwickelt er starke Fliehkräfte, die der Gravitation entgegenwirken: Fliehkraft und Schwerkraft halten sich die Waage, der Mond bleibt in seiner Bahn.
Die Schwerkraft hält uns am Boden
Im täglichen Leben spüren wir die Schwerkraft, indem wir auf der Erde bleiben und nicht davonfliegen. Schwerelos dagegen sind alle Körper, die frei und ohne Eigenbeschleunigung (also etwa ohne Raketenantrieb) unter Einfluss der Schwerkraft fallen: Etwa Newtons berüchtigter Apfel - oder wir, wenn wir in die Luft springen. Allerdings ist die Dauer eines Luftsprungs zu kurz, als dass wir uns darüber bewusst würden. Newtons Gravitationsgesetz besagt, dass die Schwerkraft der Erde schwächer wird, je weiter wir uns von ihr entfernen. Ein Körper, der auf der Erde 100 Kilo wiegt, würde demnach 10.000 Kilometer von der Erde entfernt nur noch 15 Kilo auf die Waage bringen. Doch auch Astronauten in 200 Kilometer Höhe bewegen sich schon schwerelos in ihrer Raumkapsel. Dabei wirkt in dieser Höhe die Anziehungskraft der Erde noch zu 94 Prozent. Das Geheimnis liegt wiederum in der schnellen Kreisbahn des Satelliten um die Erde: Die dabei entstehende Fliehkraft hebt die Anziehungskraft der Erde auf, Satellit und Astronaut sind schwerelos.
Schwerelosigkeit auf der Erde: Falltürme und Parabelflüge
Grundsätzlich gilt: Schwerelosigkeit lässt sich nicht abschalten, da sie eine Eigenschaft aller Massen ist. Die Wissenschaftler können die Effekte der Schwerkraft nur kompensieren - indem sie Situationen des freien Falls herstellen und damit Schwerelosigkeit simulieren. In Bremen gibt es beispielsweise einen 110 Meter hohen Fallturm, der die Reaktionen verschiedener Materialien auf den schwerelosen Zustand testet. Die zu analysierenden Proben fallen in einem luftleeren Schacht frei herab und sind dabei für gut vier Sekunden schwerelos.
Viele Experimente benötigen allerdings mehr Zeit. Die Wissenschaftler greifen in solchen Fällen auf Höhenforschungsraketen zurück. Während einer parabelförmigen, beschleunigungslosen Flugphase erfahren die eingebauten Proben Schwerelosigkeit von bis zu 13 Minuten. Über Videomikroskope können die Experimente während des Flugs beobachtet werden. Auch unter Wasser kann ein Teil der Eigenschaften von Schwerelosigkeit simuliert werden. Weltraumfahrer trainieren daher häufig im Wasser, bevor sie ins All fliegen. Der Astronaut wird dabei durch kleine Gewichte ausbalanciert. Durch den hydrostatischen Druck auf die Körperoberfläche entsteht ein Gleichgewicht: Der Astronaut schwebt.
Zuständig für unser Gleichgewicht: Sinneshärchen im Innenohr
Glücklich, aber geschwächt: Der Mensch in der Schwerelosigkeit
Astronauten berichten nach ihrer Rückkehr auf die Erde oft von einem ungeheuren Glücksgefühl, das sie während ihrer Schwerelosigkeit empfunden haben. Grundsätzlich jedoch ist der menschliche Körper nicht fürs Schweben geschaffen: Muskeln und Knochen werden in der Schwerelosigkeit so wenig beansprucht, dass sich viele Astronauten bei ihrer Erdlandung kaum auf den Beinen halten können. Um massivem Muskelschwund vorzubeugen, müssen sie deshalb in ihrer Kapsel täglich aufs Laufband um kräftig zu bleiben.
In den ersten Tagen im All leiden die meisten Astronauten unter der so genannten Raumkrankheit. Ihr Orientierungssinn ist massiv gestört: Im Gleichgewichtsorgan des Innenohrs üben winzige Kristalle einen Druck auf die Sinneshärchen aus, welche so die Richtung der Schwerkraft anzeigen. In der Schwerelosigkeit können die Kristalle diesen Druck nicht mehr ausüben: Es gibt also kein oben und kein unten mehr. Der Organismus reagiert mit Erbrechen und Schweißausbrüchen. Nach einigen Tagen passt sich der Körper jedoch an - die Symptome verschwinden. Von nun an orientieren sich die Astronauten vor allem visuell, da ihr Gleichgewichtssinn keine nützlichen Informationen mehr liefert.
Mikrochips und Kaulquappen: Forschung in der Schwerelosigkeit
Schwerelosigkeit beeinflusst nicht nur den Menschen, sondern auch verschiedenste Materialien. Wissenschaftler erzielen bestimmte Effekte, indem sie im All Metallproben schmelzen und mit anderen mischen: Leichtere und warme Materialien steigen nicht mehr nach oben. Metallteile mit sehr verschiedener Dichte, zum Beispiel Aluminium und Blei, lassen sich legieren. Die Forscher können also die Auswirkung von Vermischungen studieren, die auf der Erde nicht möglich sind. Besonders interessant ist das für industrielle Prozesse. In der Schwerelosigkeit wachsen zum Beispiel Kristalle schneller und regelmäßiger, was sich die Computerindustrie zunutze machen könnte: Reinere Kristalle ergeben bessere Mikrochips.
Auch Biologen forschen mit Pflanzen und Tieren im All. So testete eine Gruppe von Wissenschaftlern die Entwicklung des Gleichgewichtssinns von Kaulquappen in der Schwerelosigkeit.
Mediziner hoffen auf Inspiration aus dem All
Mediziner interessieren sich in zweierlei Hinsicht für Weltraumforschung: Zum einen geht es um die Behandlung von Astronauten im All. Herzmassagen oder eine künstliche Beatmung etwa stellen Probleme dar, da Patient und Behandelnder erst einmal in der richtigen Position fixiert werden müssen. Solche Schwierigkeiten nehmen mit weiteren Expeditionen zu: Auf dem Weg zum Mars wäre die Besatzung etwa zwei Jahre unterwegs ohne die Möglichkeit zu haben, vorher zurückzukehren.
Zum anderen erhoffen sich die Ärzte Erkenntnisse für Krankheiten auf der Erde: Viele Reaktionen des Körpers auf die Schwerelosigkeit sind Krankheiten ähnlich. Beispiel Muskelschwund: Weil das menschliche Knochengerüst regelmäßige Erschütterung braucht, müssen Astronauten aufs Schüttelbrett. Vielleicht ist es eines Tages auch selbstverständlich, dass Frauen und andere Risikogruppen täglich für kurze Zeit ein solches Brett besteigen um der Osteoporose vorzubeugen.
Spektrum - Sterne
Geburtenrate der Sterne ist höher als gedacht
Im Universum werden deutlich mehr Sterne geboren als bislang angenommen. Insbesondere in den Außenbezirken von Scheibengalaxien, zu denen auch die Milchstraße zählt, kommt es unerwartet häufig zur Entstehung neuer Sterne, wie Astronomen um Pavel Kroupa von der Universität Bonn herausgefunden haben.
Da Astronomen neue Sterne in entfernten Galaxien nicht einzeln abzählen können, müssen sie indirekt auf Sternengeburten schließen. Dies geschieht durch Beobachtung einer charakteristischen Strahlung, die sehr schwere Sternenbabys aussenden. Pro schweres Baby addieren die Forscher nach einer etablierten Faustregel noch 230 kleine Nachwuchssterne hinzu, die wegen ihres geringen Gewichts diese sogenannte H-Alpha-Strahlung nicht abgeben. Da diese charakteristische Strahlung am Galaxienrand stark abfällt, sollten sich dort auch keine Sternengeburten ereignen, dachten die Astronomen bislang. Doch diese Ansicht erwies sich als grobe Fehleinschätzung.
Denn jüngste Satellitenbeobachtungen ergaben, dass an den Galaxienrändern durchaus neue Sterne entstehen - sie sind nur zu leicht, um H-Alpha-Strahlung abzugeben. Das Zahlenverhältnis von 1 zu 230 für schwere und leichte neue Sterne stimmt den Bonner Forschern zufolge daher nur im Zentrum einer Galaxie, nicht jedoch an deren Rand. Dort können auf einen einzigen schweren neuen Stern tausend und mehr leichte Sterne geboren werden.
Dem neuen Sternentstehungsmodell der Forscher zufolge ist die Sternengeburtsrate also nicht gleichmäßig über eine Galaxie verteilt. Im Zentrum, wo sich große Sternenhaufen versammeln, entstehen die großen massereichen Sternenbabys, während in den kleineren Haufen am Galaxienrand überproportional häufig leichtere Sterne entstehen.
Für unsere Milchstraße, in der pro Jahr zehn neue Sterne gebildet werden, ergibt sich dadurch aber kein neuer Wert - was unter anderem daran liegt, dass die Daten schon zuvor relativ zuverlässig waren. Denn Sternengeburten in unserer eigenen Galaxie können besser beobachtet werden.