Jörn Müller

Jörn Müller

27.01.2017
Publiziert in News

Nach wie vor haben wir keine Antwort auf die Frage, woran es liegt, dass etwas ist und nicht Nichts. Warum wurden Materie und Antimaterie beim Zerfall der X- und Y-Bosonen im frühen Universum von der schwachen Kraft unterschiedlich behandelt? Warum entstand auf je 10 Milliarden Teilchen bzw. Antiteilchen ein zusätzliches „normales“ Teilchen, das nach der gegenseitigen Vernichtung von Materie und Antimaterie übrig blieb? Unterscheiden sich eventuell doch Materie und Antimaterie in einer oder gar in mehreren ihrer fundamentalen Größen, die gemäß dem Standardmodell der Teilchenphysik identisch sein sollten? Über die Versuche, einen Unterschied beim Masse-Ladungsverhältnis von Protonen und Antiproton oder bei der elektrischen Ladung von Wasserstoff und Antiwasserstoff oder auch zwischen den Spektren dieser Atome zu finden, haben wir schon mehrfach berichtet (siehe die News-Beiträge „Materie-Antimaterie-Asymmetrie“, „Symmetriebruch der schwachen Kernkraft“ und das Video „Antimaterie Stand 2017“). Bislang hat sich jedoch in keinem Fall eine Diskrepanz bei den entsprechenden Werten gezeigt.

Vor kurzem haben nun H. Nagahama und Kollegen im Rahmen der BASE- Kollaboration (Baryon Antibaryon Symmetrie Experiment) am Antiproton Decelerator (AD) des Forschungszentrums CERN einen neuen Versuch gestartet, einen Unterschied zwischen Protonen und Antiprotonen aufzudecken. Diesmal haben sich die Forscher das magnetische Moment des Antiprotons vorgenommen und es in einer extrem aufwendigen Versuchsreihe mit bisher unerreichter Genauigkeit vermessen. Speziell hat man den sogenannten g-Faktor (Landé-Faktor) betrachtet, den Quotienten aus dem gemessenen magnetischen Moment und dem nach den Regeln der klassischen Physik, bei gleicher Masse, Ladung und Drehimpuls, zu erwartenden magnetischen Moment.

Zunächst zum physikalischen Hintergrund: Eine Ladung q auf einer kreisförmigen Umlaufbahn besitzt einen Bahndrehimpuls L sowie ein klassisches magnetisches Moment ml gleich

nachschlag zur materie antimaterie asymmetrie formel 0                1

Da in diesem Fall das magnetische Moment nur auf dem Drehimpulses L des Teilchens beruht, stimmen das gemessene und das berechnete magnetische Moment überein, sodass gl = 1 ist.

Beruht das magnetische Moment jedoch ausschließlich auf dem in der Quantenmechanik als Spin s bezeichneten Eigendrehimpuls des Teilchens, so lautet die Formel für das magnetische Moment µs analog zur Gleichung (1)

nachschlag zur materie antimaterie asymmetrie formel 2                2

Die Größe gs bezeichnet man als Spin-g-Faktor bzw. als anomalen g-Faktor des Spins. Für jede Teilchenart hat gs einen bestimmten Wert. Im Allgemeinen kann man den Wert gs nicht berechnen, er muss daher experimentell ermittelt werden. 

Bei der experimentellen Bestimmung von gs macht man sich zunutze, dass der Spin bzw. das magnetische Moment eines Teilchens in einem äußeren Magnetfeld eine Präzessionsbewegung ausführt. Die Umlauffrequenz dieser Rotation bezeichnet man als Larmor-Frequenz ωL.

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Bild 1: Präzession des Magnetischen Moments um ein Magnetfeld B

(Bildquelle: http://www.physi.uni-heidelberg.de/~menzemer/Pr%C3%A4zisionsexperimenteWS1314/g-2Elektron.pdf)

Die Larmor-Frequenz berechnet sich zu

nachschlag zur materie antimaterie asymmetrie formel 3                3

wobei e die Ladung des Teilchens, mp dessen Masse (hier die Masse des Protons bzw. Antiprotons) und B die Stärke des Magnetfeldes bedeuten.

Neben der Larmor-Präzession führt ein geladenes Teilchen in einem externen Magnetfeld auch eine Rotation um das Magnetfeld aus. Diese Rotationsfrequenz bezeichnet man als Zyklotron-Frequenz ωC. Die Formel für ωC lautet:

nachschlag zur materie antimaterie asymmetrie formel 4                4

Kennt man ωL und ωC, so erhält man den Landé-Faktor gs aus der Beziehung

nachschlag zur materie antimaterie asymmetrie formel 5                5

Zur Messung von ωL und ωC des Antiprotons verwendeten die Forscher eine aus drei gekoppelten Fallen bestehende Penningfalle, in der die Teilchen hin und her geschoben werden.

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Bild 2: Die beim Experiment benutzte schematisierte Penningfalle

(Bildquelle: http://www.nature.com/articles/ncomms14084/figures/1)

Der linke Teil der Falle dient als Reservoir für die Antiprotonen. Im Mittelteil der Falle (Comagnetometer trap) wird die Stärke des Magnetfeldes kontinuierlich gemessen. Die Bestimmung der Larmor-Frequenz ωL und der Zyklotronfrequenz ωc erfolgt in der Analyse-Falle (Ananlysis trap). Dort wird dem Magnetfeld ein Radiofrequenzfeld überlagert, das stufenweise so lange verändert wird, bis Resonanz eintritt und der Spin des Teilchens umklappt. (Eine ausführliche Beschreibung des Versuchsaufbaus und der Messung findet man in der Originalpublikation unter: http://www.nature.com/articles/ncomms14084)

Zur Bestimmung des Landé-Faktors gp des Antiprotons haben die Experimentatoren insgesamt sechs Messreihen durchgeführt. Die gemittelten Daten ergaben für gp/2 des Antiprotons einen Wert von 2,7928465. Vergleicht man das mit dem bekannten gp/2 des Protons von 2,792847350, so unterscheiden sich beide Werte gerade mal um 8,5 x 10-7. Mit anderen Worten: Im Rahmen der Messgenauigkeit stimmen die magnetischen Momente von Proton und Antiproton überein! Damit hat sich zum wiederholten Male die „Hoffnung“ zerschlagen, bei einer fundamentalen Größe einen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie aufzudecken. Somit haben auch diese Messungen keinen Hinweis auf die Ursache geliefert, die vermutlich schon im sehr frühen Universum zu der Materie-Antimaterie-Asymmetrie geführt hat.

22.12.2016
Publiziert in News

Machen wir es kurz: Auch die neuesten Ergebnisse einer Untersuchung an Antiwasserstoff haben keinen Hinweis geliefert, warum es im uns zugänglichen Universum nur Materie, aber praktisch keine Antimaterie gibt. Obwohl es in der Frühphase des Kosmos ursprünglich gleich viel Materie und Antimaterie gegeben haben muss, ist nach wie vor unklar, wie es zu dieser Asymmetrie gekommen sein könnte. Wir haben uns mit diesem Thema schon einmal im News-Beitrag „Symmetriebruch der Schwachen Kernkraft“ vom 16.09.2015 ausführlich beschäftigt und die von den Teilchenphysikern vorgeschlagene Verletzung der CP-Symmetrie als Ursache für das Materieungleichgewicht untersucht. Dort haben wir auch über Experimente berichtet, die darauf abzielen, eine unterschiedliche Masse von Teilchen und Antiteilchen, wie z.B Deuterium und Antideuterium, für die Asymmetrie verantwortlich zu machen. Ein Unterschied war jedoch nicht festzustellen.

Nun haben Physiker am CERN in Genf untersucht, ob nicht vielleicht bei der elektronischen Anregung von normalen Wasserstoff und Antiwasserstoff das CPT-Theorem (charge parity time) der Teilchenphysik verletzt ist. Entsprechend diesem Theorem sollte ein mit normaler Materie ablaufender Prozess genauso ablaufen, wenn die Materie durch Antimaterie ersetzt und zusätzlich der Raum gespiegelt wird. Man bezeichnet das als CPT-Invarianz.

Zunächst ein paar Worte zum Antiwasserstoff. Im Prinzip ist Antiwasserstoff so aufgebaut wie normaler Wasserstoff, wobei jedoch als Kern ein Antiproton und als die ihn umkreisende Ladung ein Anti-Elektron, d.h. ein positiv geladenes Positron dient (Bild 1: links normaler, rechts Antiwasserstoff).

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Bild 1 (Quelle: http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-20975-2016-12-21.html

 

Wie das Proton besteht auch das negativ geladene Antiproton aus drei Quarks, und zwar aus einem Anti-down-Quark (Ladung: + 1/3) und zwei Anti-up-Quarks (Ladung: je - 2/3). Nach außen ist der Antiwasserstoff elektrisch neutral.

Was haben die Wissenschaftler gemacht? Sie haben untersucht, ob es einen Unterschied in den Spektren des „normalen“ Wasserstoffs und des Antiwasserstoffs gibt. Wäre das der Fall, so wäre das CPT-Theorem verletzt und eventuell ein Hinweis auf die Ursache für die Asymmetrie zwischen Materie und Anti-Materie gefunden. Die Frage war: Ist das Energieniveau des 2s-Zustands beim Antiwasserstoff gleich dem des genau bekannten Niveaus des normalen Wasserstoffs (Bild 2)?

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Bild 2: Energieniveaus des Wasserstoffatoms (Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffatom)

 

Mit ihrem Experiment konzentrierten sich die Forscher auf den elektronischen Übergang vom Grundzustand 1s (m = 1) in den ersten angeregten Zustand 2s (m = 2). Wie die Grafik zeigt, beträgt die Energiedifferenz zwischen diesen beiden Energieniveaus 10,2 eV. Beim normalen Wasserstoff ist das leicht zu messen. Aber Antiwasserstoff mussten die Forscher erst herstellen und sicher speichern, denn einen Kontakt mit normaler Materie, z.B. den Wänden der Versuchsanordnung, musste mit Hilfe von Magnetfeldern unterbunden werden, da sonst der Antiwasserstoff sofort zerstrahlt wäre. 

Für das Experiment nutzten die Physiker Jeffrey Hangst von der Universität Aarhus und seine Kollegen von der ALPHA-Kollaboration die Antimateriefalle des ALPHA-Experiments am CERN (Bild 3).

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(Quelle: http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/pdf/nature21040.pdf)

 

Für jeden Versuch wurden in der Mitte der Falle (Abschnitt „antihydrogen synthesis and trapping“) rund 90.000 Antiprotonen mit ca. 1,5 Millionen Positronen in Kontakt gebracht, wobei jeweils rund 25.000 Antiwasserstoffatome entstanden. Für den eigentlichen Versuch, also die Anregung des Antiwasserstoffs mit Licht entsprechender Wellenlänge, konnten davon jedoch nur jeweils rund 14 Antiwasserstoffatome in der Falle gehalten werden.

Um das 2s-Niveau des Wasserstoffs aus dem Grundzustand anzuregen, ist eine Energie von 10,2 eV nötig (siehe Bild 2). Dazu verwendeten die Physiker einen Laser der Wellenlänge 243 Nanometer. Licht dieser Wellenlänge hat jedoch nur halb so viel Energie, d.h. 5,1 eV. Um dennoch eine Anregung zu erreichen, mussten also zwei Photonen gleichzeitig vom Antiwasserstoff absorbiert werden. Ein seltener, aber hin und wieder doch eintretender Fall. Dazu wurde das von links in die Falle eintretende Laserlicht in einen optischen Resonator eingespeist, in dem es vom Spiegel am anderen Ende des Resonators wieder reflektiert wurde, sodass das Laserlicht aus zwei entgegengesetzten Richtungen auf die Atome traf. Das hat den Vorteil, dass man vom Dopplereffekt unabhängig ist. Mit Hilfe eines Modulators konnte die Frequenz des Lichts in gewissen Grenzen verändert werden, um die für eine Anregung passende Wellenlänge zu justieren. Ist ein Atom einmal angeregt, so kann es nicht mehr gehalten werden, es bricht aus und zerstrahlt an den Wänden der Falle. Nach einer Bestrahlungsdauer von 300 Sekunden hatten, in guter Übereinstimmung mit dem Erwartungswert, (58 ± 6) Prozent der vorhandenen Atome die Falle verlassen.

Das Ergebnis hat zwei Gesichter: Zum einen hat sich gezeigt, dass sich die Energieniveaus von Wasserstoff und Antiwasserstoff nicht unterscheiden. Unter gleichen Bedingungen verhält sich Antiwasserstoff genau so wie normaler Wasserstoff. Eine Verletzung des CPT-Theorems konnten die Experimente nicht belegen. Nach Aussage der Experimentatoren bestätigen ihre Ergebnisse mit einer relativen Genauigkeit von ca. 2 × 10−10 die CPT-Invarianz. Zum anderen hat auch diese Untersuchung die Hoffnung zerschlagen, einen Unterschied im Verhalten der Antimaterie relativ zur Materie aufzudecken. Einen Hinweis, wie es zu der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im frühen Universum gekommen sein könnte, hat auch dieses Experiment nicht erbringen können.

 

20.12.2016
Publiziert in News

Neuere Messungen zur Verteilung der Dunklen Materie im Kosmos und zur Verlangsamung der Erdrotation aufgrund der Gezeitenreibung haben zu anderen Ergebnissen geführt als bisher angenommen.

Beginnen wir mit der Dunklen Materie. Im Rahmen des Standardmodells der Kosmologie lassen sich einige Phänomene nur durch die Existenz Dunkler Materie erklären. Dazu gehören insbesondere die Rotationsgeschwindigkeit der Sterne in den Außenbereichen von Spiralgalaxien, der Zusammenhalt von Galaxienhaufen entgegen der durch die Bewegung der einzelnen Galaxien hervorgerufenen Zentrifugalkräfte, der Zusammenhalt von heißen Wasserstoffwolken entgegen dem inneren thermischen Druck sowie die Strukturbildung im Kosmos.

Aus den Messungen zur Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung ergibt sich für den Dichtekontrast (DK) der baryonischen Materie zum Zeitpunkt der Entkopplung von Strahlung und Materie (rund 380.000 Jahre nach dem Urknall) ein Wert von 10-5. Dabei versteht man unter Dichtekontrast die Abweichung der Dichte von der mittleren Dichte. Heute ist der DK auf großen Skalen ungefähr gleich 1. Da der DK proportional mit der Expansion des Universums anwächst und sich der Kosmos bis heute um einen Faktor von rund 1000 ausgedehnt hat, hätte der Dichtekontrast damals 100 Mal größer sein müssen, also einen Wert von 10-3, um auf den heutigen Wert von 1 anwachsen zu können. Diese Diskrepanz löst sich durch die Existenz Dunkler Materie. Denn da Dunkle Materie nicht der elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegt, konnte sie früher als die baryonische Materie klumpen und einen größeren DK mit entsprechenden Potentialsenken entwickeln. Nach der Entkopplung von Strahlung und Materie fiel dann die baryonische Materie in die Potentialtöpfe der Dunklen Materie ein und gewann so überproportional schnell an Dichte.

Fazit: Ohne Dunkle Materie lässt sich insbesondere die Bildung der heute beobachtbaren Galaxienhaufen und Superhaufen nicht erklären.

Kommen wir zur Verteilung der Dunklen Materie, die mit 27 Prozent zum gesamten Energiehaushalt des Kosmos beiträgt. Zum einen lässt sich deren Verteilung aus den mit dem Planck-Satelliten gemessenen Fluktuationen in der kosmischen

Hintergrundstrahlung ableiten, zum anderen anhand der Bilder des schwachen Gravitationslinseneffektes berechnen. Der Gravitationslinseneffekt beruht auf der lokalen Krümmung der Raumzeit durch Massen. Das Licht eines entfernten Objekts wird durch die gekrümmte Raumzeit einer zwischen Objekt und Beobachter gelegenen Masse verzerrt. Die Masse im Vordergrund wirkt dabei als Linse für das Licht des Hintergrundobjekts (Bild 1).

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Bild 1 Schematisierter Gravitationslinseneffekt

 

Beim sogenannten „Starken Gravitationslinseneffekt“ beruht die Linsenwirkung auf relativ nahen, extrem massiven Vordergrundobjekten wie z.B. Schwarzen Löchern oder Galaxien. Dabei kommt es zu einer Helligkeitsverstärkung und einer Verzerrung des Hintergrundobjekts bzw. zu einer Aufspaltung in mehrere Bilder. Meist sind die Objekte zu Bögen verformt, in besonderen Fällen sind die Verzerrungen annähernd kreisförmig (Einstein-Ring).

Sind die Gravitationslinsen sehr weit entfernt bzw. die zugehörigen Gravitationsfelder sehr schwach, ist auch der Linseneffekt wenig ausgeprägt. Man spricht dann von einem „Schwachen Gravitationslinseneffekt“. In diese Kategorie fällt auch die sogenannte „kosmische Scherung“. Dabei dienen nicht einzelne Galaxien, sondern die in einem weiten Raumbereich liegenden großräumigen kosmischen Strukturen als Linse (Bild 2).

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Bild 2 (Quelle: http://www.cfht.hawaii.edu/News/Lensing/)

 

Im Ergebnis erfährt das Licht der Hintergrundobjekte, im Bild 2 links, auf dem Weg zum Beobachter eine Reihe von Ablenkungen (Scherung) durch die Gravitationsfelder der Vordergrundstrukturen. Dabei werden die Hintergrundobjekte zu Ellipsen verzerrt, die ringförmig um die Gravitationszentren ausgerichtet sind (Bild 3).

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Bild 3 (Quelle: P. Schneider, Extragalaktische Astronomie u. Kosmologie)

 

Obwohl einzelne Galaxien nicht mehr aufgelöst werden, kann man dennoch aus diesen Bildern mit statistischen Methoden die Menge und Verteilung der Dunklen Materie im betrachteten Raumgebiet anhand des Ausmaßes der Scherung ableiten.

Im Jahr 2012 hat man aus Messungen der Scherung mit dem „Canada France Hawaii Telescope Lensing Survey“ schon mal die Massenverteilung kartiert. Allerdings weichen die Ergebnisse deutlich von denen des Planck-Satelliten ab. Zusammen mit Astronomen auf der ganzen Welt wurde nun eine neue Untersuchung unter der Leitung von Hendrik Hildebrandt vom Argelander-Institut für Astronomie in Bonn und Massimo Viola vom Leiden Observatorium in den Niederlanden durchgeführt. Bei dieser bislang präzisesten Messung, dem „Kilo Degree Survey (KiDS)“ mit dem VLT Survey Teleskop der ESA in Chile, wurde ein Himmelsareal von 450 Quadratgrad, entsprechend einer Fläche von circa 2200 Mal der Fläche des Vollmondes, mit rund 15 Millionen weit entfernten Galaxien durchmustert. Im Dezember 2016 haben die Kosmologen die Ergebnisse veröffentlicht (Bild 4).

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Bild 4 (Quelle: http://kids.strw.leidenuniv.nl/)

 

Wie schon 2012, zeigte sich auch diesmal eine Diskrepanz zu den Ergebnissen der Planck-Mission: Die Materie war weit weniger geklumpt bzw. weniger dicht und gleichmäßiger verteilt als es die Planck-Daten vorgeben. Ein Maß, wie stark die Dichte der Materie bei einer bestimmten Durchschnittsdichte schwankt, ist der Parameter σ8. Aus den Planck-Messungen erhält man einen Wert von gerundet 0,83. Die KiDS-Durchmusterung ergab einen Wert von σ8 = 0745.

Nun ist guter Rat teuer. Im Prinzip sollten die Ergebnisse aus den beiden Messverfahren in engen Grenzen übereinstimmen. Was läuft da schief? Ist die Diskrepanz einem systematischen oder statistischen Fehler bei einer der beiden 4

Untersuchungen geschuldet? Noch ist nichts entschieden. Denn die KiDS-Untersuchungen sind noch nicht abgeschlossen. Man hofft auf noch mehr Daten, die mit noch größeren Teleskopen gewonnen werden sollen. Wenn sich letztlich herausstellen sollte, dass die Ergebnisse des KiDS die Dichteverteilung in der Dunklen Materie korrekt wiedergeben, dann haben die Kosmologen ein Problem. Dann müssen die im Rahmen des kosmologischen Standardmodells entwickelten Theorien zur Strukturbildung im Universum auf den Prüfstand. Hat sich das Universum so entwickelt wie bisher angenommen? Ist die vornehmlich von der Menge an Dunkler Materie abhängige Geometrie des Kosmos gar eine andere? Und wie entwickelt sich das Universum in ferner Zukunft? Gegenwärtig favorisieren die Kosmologen ein Szenario, gemäß dem sich der Kosmos immer weiter, aber immer langsamer ausdehnt und erst nach unendlich langer Zeit zum Stillstand kommt. Dazu muss der Energiehaushalt des Universums gleich der kritischen Dichte sein. Neben der Dunklen Energie bestimmt auch die Menge der dunklen und baryonischen Materie, wie groß der Energievorrat des Universums ist. Ist er kleiner als bislang angenommen, so würde das Universum immer schneller expandieren und es wäre nicht flach, sondern hyperbolisch gekrümmt.

Bei den Worten „schneller expandieren“ drängt sich die Vermutung auf, ob vielleicht die vom „Supernova Cosmology Project“ unter Saul Perlmutter und vom „High-z Supernova Search Team“ mit den Astronomen Brian Schmitt und Adam Riess festgestellte beschleunigte Expansion des Kosmos, die vor rund fünf Milliarden Jahren eingesetzt haben soll, etwas mit den KiDS-Ergebnissen zu tun haben könnte. Zugegeben: Das ist wilde Spekulation. Doch Einstein soll gesagt haben: „Wenn man nicht gegen den Verstand verstößt, kann man überhaupt zu nichts kommen“. Dennoch: Halten wir lieber den Ball flach und warten auf neue Erkenntnisse.

Themenwechsel.

Die Erde dreht sich in genau 23 Stunden, 26 Minuten und 4,10 Sekunden einmal um ihre Achse. Diese Zeit entspricht einem siderischen Tag (lateinisch: sidus = Stern), auch Sterntag genannt. Siderisch, weil die Erde nach dieser Zeit relativ zu den Hintergrundsternen wieder gleich ausgerichtet ist. Allerdings ist diese Tageslänge nicht konstant, sondern zeigt kurzfristige Schwankungen, die z.B. durch Verschiebung der Eisflächen bzw. der Wassermassen auf der Erde oder durch die

Verlagerung von Wasser in Form von Schnee auf höher gelegene Gebiete verursacht werden. Insbesondere die Variation der atmosphärischen Jet-Ströme führt zu einer zeitlichen Schwankung von etwa zwei Millisekunden.

Neben diesen kurzfristigen Schwankungen der Tageslänge verändert sich die Tageslänge auch langfristig, und zwar dauerhaft. Verantwortlich dafür sind die Gezeitenkräfte, die Mond und Sonne (halb so stark wie die des Mondes) auf die Erde ausüben. Dadurch werden sowohl auf der dem Mond zugewandten als auch auf der dem Mond abgewandten Seite der Erde Flutberge hervorgerufen. Da sie stets auf den Mond ausgerichtet sind und sich die Erde während eines Tages unter den Flutbergen durchdreht, entstehen Reibungskräfte, die die Rotation der Erde bremsen. Berechnet man die Bremsung der Erdrotation anhand der Auswirkung der Gezeitenreibung, so sollte der Tag pro Jahrhundert um 2,3 Millisekunden länger werden. Im täglichen Leben ist das nicht wahrnehmbar. Aber falls das so weitergeht, würde der Tag in rund 156 Millionen Jahren nicht 24, sondern 25 Stunden lang sein. Unsere Nachfahren, vorausgesetzt es gibt dann noch Menschen, müssen entweder eine Stunde länger arbeiten, oder sie haben eine Stunde mehr zur freien Verfügung.

Doch nun haben Catherine Hohenkerk und Kollegen vom Königlich britischen Nautical Almanac Office in Taunton sich die Bremsung der Erdrotation nochmal genauer angesehen. Dazu werteten sie 300 Sonnenfinsternisse aus, die sich im Zeitraum von 720 v.Chr. bis zum Jahr 1600 ereignet hatten. Aus der Geschwindigkeit, mit der sich der Finsternispfad über die Erdoberfläche bewegte, konnten die Forscher Information über die Veränderung der Erdrotation im genannten Zeitraum gewinnen. Weitere Daten lieferte eine Auswertung der seit Erfindung des Teleskops aufgezeichneten Sternbedeckungen durch den Mond, die ebenfalls von der Erdrotation beeinflusst werden. Aus der Zusammenschau der Daten errechneten die Forscher eine geringere Abbremsung der Erde, indem die Tageslänge nur um 1,78 Millisekunden pro Jahrhundert zunimmt.

Da dieser Wert deutlich kleiner ist als der, den die Gezeitenreibung allein verursacht, stellt sich die Frage: Gibt es einen Mechanismus, der die Erdrotation entgegen der Gezeitenbremse wieder beschleunigt? Eine Ursache sehen die Forscher im Abschmelzen der Eiskappen, wodurch sich der Druck auf die darunterliegenden Gesteine verringert. Die Erde federt praktisch zurück, wobei sich die Abplattung der Erde und somit deren Trägheitsmoment ändert. Ferner könnten geodynamische

Prozesse eine Rolle spielen, wie z.B. eine Verschiebung des Erdkerns gegen den Erdmantel. Um Gewissheit über die dominante Ursache zu erhalten, bedarf es noch weiterer Untersuchungen. – Wie auch immer: Sollte sich die Erdrotation tatsächlich weniger verlangsamen als bisher angenommen, so hätten unsere Nachfahren noch rund 200 Millionen Jahre Zeit, bis sich ihr Tag um eine Stunde verlängert.

Die Bremsung der Erdrotation führt direkt zu der Frage: Bleibt die Erde in ferner Zukunft vielleicht ganz stehen? Was die Gezeitenreibung betrifft, so ist die Antwort darauf ein klares „Nein“. Denn wenn sich die Erdrotation dereinst so weit verlangsamt haben wird, dass eine Umdrehung der Erde genauso lange dauert wie ein Umlauf des Mondes um die Erde, ist Schluss mit Bremsen. Denn dann weist die Erde dem Mond immer die gleiche Seite zu, eine Situation, die man auch als gebundene Rotation bezeichnet. Die Flutberge bleiben immer am gleichen Ort und drehen sich mit der Erde mit. Damit entfällt auch die Drehimpuls raubende Reibung zwischen der Erde und den Flutbergen.

Noch ein Wort zum Drehimpuls der Erde, der ja durch die Verlangsamung der Rotation kontinuierlich abnimmt. Wir haben gelernt: Der Drehimpuls ist eine Erhaltungsgröße und kann daher nicht verloren gehen. Aber wo geht er hin? Er addiert sich zum Bahndrehimpuls des Mondes, sodass die große Halbachse der Mondbahn wächst. Der Mond entfernt sich also immer weiter von der Erde, und zwar gegenwärtig um rund 3,8 Zentimeter pro Jahr.

 

17.11.2016
Publiziert in News

Jörn Müller hat einen neuen Beitrag in unserer Wissensbox eingestellt. Bei der Beschreibung der fundamentalen Wechselwirkungen hat er sich diesmal die Gravitation vorgeknöpft: Wissensbox.