Jörn Müller

Jörn Müller

02.03.2017
Publiziert in News

Mit acht Planeten und einem Zwergplaneten haben wir mit unserem Sonnensystem zwar noch die Nase vorne, aber der Stern TRAPPIST-1, mit seinen sieben Planeten, ist uns dicht auf den Fersen. Schon 2016 haben Michaël Gillon und sein Team von der Universität Leiden in Belgien bei diesem Stern drei erdähnliche Planeten entdeckt. Jetzt haben sie nochmal genauer nachgesehen und sind auf weitere vier gestoßen. Am 22. Februar 2017 haben sie ihre Ergebnisse veröffentlicht.

exoplanets2

(Bildquelle: https://www.thestar.com/news/world/2017/02/22/what-to-know-about-the-newly-discovered-trappist-1-solar-system.html)

Schauen wie zunächst auf den 39 Lichtjahre entfernten Stern um den sich alles dreht. Seinen Namen hat er von dem Instrument „TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope (TRAPPIST)“, mit dem die Untersuchungen durchgeführt wurden. In den Sternkatalogen firmiert er als 2MASS J23062928-0502285. Mit seinen 0,08 Sonnenmassen und dem Spektraltyp M8V, liegt er an der Grenze dessen, was sich gerade noch Stern nennen darf. Etwas weniger Masse, und in seinem Inneren wäre es nicht heiß genug um Wasserstoff zu fusionieren. Mit einem Radius von knapp 80.000 Kilometern ist er kaum größer als der Planet Jupiter. Seine Oberflächentemperatur (Effektivtemperatur) beträgt nur 2550 Kelvin (Sonne: 5780 K), was ihm, über das gesamte elektromagnetische Spektrum gemessen, zu einer Leuchtkraft von lediglich einem 2-Tausendstel der Leuchtkraft der Sonne verhilft. Dabei liegt das Maximum der Emission mit einer Wellenlänge von 1135 Nanometern (Sonne: 501 nm), deutlich im Infrarot-Bereich. Konzentriert man sich nur auf den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums, so wird es im wahrsten Sinne des Wortes noch düsterer. In diesem Bereich ist seine Leuchtkraft gar 270.000 Mal kleiner als die unseres Zentralsterns. Würde man TRAPPIST-1 an die Stelle der Sonne setzten, so wäre es auf der Erde praktisch finster. Ohne groß zu übertreiben kann man zusammenfassend festhalten: TRAPPIST-1 ist ein rechter Mickerling. Nichtsdestotrotz zeigt uns der Stern, dass auch die Kleinen und Unscheinbaren, die ja das Gros der Sternpopulation einer Galaxie ausmachen, „Planeten können“.

Jetzt zu den Planeten. Insgesamt sieben gehören zu dem Planetensystem und bei allen handelt es sich höchstwahrscheinlich um erdähnliche Gesteinsplaneten mit Radien im Bereich von 0,76 bis 1,13 Erdradien. Im Mittel umrunden sie ihren Stern in einer Entfernung von 0,031 Astronomischen Einheiten (AE), also in einem rund 10 Mal geringeren Abstand als der Merkur die Sonne. Der Planet TRAPPIST-1a ist mit 0,011 AE am nächsten dran an seinem Stern. Für einen Umlauf benötigt er nur 1,51 Tage. Auf ihm vergehen die „Jahre“ im Zeitraffertempo. Mit 0,06 AE ist TRAPPIST-1h am weitesten entfernt, wodurch er auch am längsten für einen Umlauf benötigt, nämlich rund 20 Tage. Lässt man den Planeten TRAPPIST-1h mal außen vor, da man seine Daten noch nicht genau kennt, dann liegen die Massen der übrigen Planeten im Bereich von 0,41 bis 1,38 Erdmassen.

PIA21425 TRAPPIST 1 Statistics Table

(Bildquelle: https://www.thestar.com/news/world/2017/02/22/what-to-know-about-the-newly-discovered-trappist-1-solar-system.html)

Aufgrund der geringen Entfernungen der Planeten zu ihrem Stern, könnten drei der sieben in der habitablen Zone von TRAPPIST-1 liegen, in dem Bereich, in dem es warm genug ist, dass eventuell vorhandenes Wasser in flüssiger Form vorkommt. Eine Grundvoraussetzung für Leben wie wir es kennen. Wie die Astronomen jedoch betonen, handelt es sich dabei um eine nicht gesicherte Annahme, da die Datendecke für präzise Aussagen noch zu dünn ist. Ziemlich sicher ist jedoch, dass alle Planeten gebunden rotieren, das heißt: sie drehen ihrem Stern, so wie der Mond der Erde, immer die gleiche Seite zu. Unter diesen Umständen dürfte es auf der dem Stern zugewandten Seite ziemlich „warm“ sein, wogegen es auf der anderen Stein und Bein friert. Die Astronomen geben jedoch zu bedenken, dass eine eventuell vorhandene Atmosphäre da mäßigend wirken kann. Aufgrund des Temperaturgradienten könnten sich in der Atmosphäre Strömungen ausbilden, die die Wärme über den Planeten verteilen.

Kommen wir nochmal auf die Leuchtkraft des Sterns TRAPPIST-1 zu sprechen. Wie bereits erwähnt, wäre es bei uns ziemlich finster, würde man den Stern an die Stelle unserer Sonne setzen. Bei den Planeten um TRAPPIST-1 ist es jedoch nicht ganz so schlimm. Denn die sind ja viel näher dran an ihrem Stern. Da die Helligkeit mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, heißt näher dran eben auch heller. Aufgrund der geringen Entfernungen dürfte die Helligkeit auf den Planeten im Bereich des sichtbaren Lichts daher nicht wie auf der Erde um den Faktor 270.000, sondern im Mittel nur um den Faktor 250 geringer sein.

Und wie geht es nun weiter? Wie bereits mehrfach erlebt, haben auch diesmal Wissenschaft und Medien die Entdeckung bejubelt. Anscheinend kann man es gar nicht erwarten einem Alien auf einem erdähnlichen Planeten in die Augen zu schauen. Bei Lichte betrachtet hat man m. A. n. wenig wirklich Neues gefunden. Dass auch kalte, kleine Sterne Planeten um sich scharen können, o.k. Dass es erdähnliche Planeten gibt, war jedoch zu erwarten. Aber die im Überschwang geäußerte Vermutung von Wasser auf einigen Planeten, bzw. von einer Atmosphäre, das muss sich erst noch bestätigen. Die Voraussetzungen in diese Richtung weiter zu forschen sind allerdings gut. Zum einen ermöglicht der leuchtschwache Stern eine gute Beobachtung, da er mit seinem Licht die Planeten kaum überstrahlt, zum anderen dürfte demnächst das James-Webb-Weltraumteleskop zum Einsatz kommen und Bilder mit einer höheren Auflösung liefern. Schön wäre es auch, wenn man Erkenntnisse über die Stabilität des Systems gewinnen könnte. Die sieben Planeten rücken einander doch arg auf die Pelle. Die gegenseitige gravitative Beeinflussung der Planeten könnte zu Resonanzen führen, die das ganze System umstrukturieren, oder Planeten hinauskatapultieren. Mit 500 Millionen Jahren ist das TRAPPIST-1-System ja noch recht jung, da kann noch viel geschehen.

Warten wir also ab wie es weiter geht mit den Erkenntnissen um TRAPPIST-1, bzw. ob es überhaupt weiter geht. Es wäre nicht das erste Mal, dass auf große Ankündigungen Schweigen folgt. Man erinnere sich an die Topnachricht vom 30. September 2010: „NASA findet bewohnbaren Planeten“. Kurz darauf musste man eingestehen, dass es den Planeten gar nicht gibt. Oder die Hoffnungen, die man auf die im Juni 2015 gemachte Entdeckung der nur 21 Lichtjahre entfernten „Supererde“ HD 219134a gesetzt hatte. Damals hieß es: "Jetzt haben wir ein lokales Exemplar, das wir genau studieren können. Man kann es als eine Art Rosetta-Stein für die Erforschung von Supererden betrachten." Doch bis heute: nichts Neues. – Vielleicht wird es mit TRAPPIST-1 ja ganz anders. Warten wir es ab.

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.

materie antimaterie asymmetrie0

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.