Jörn Müller

Jörn Müller

20.08.2017
Publiziert in News

Vorbemerkung:

Zum Video über den Stern EBLM JO 555-57 Ab von Josef Gassner, ist im YouTube-Forum die Frage gestellt worden: Wie bedroht ist die Erde durch die Explosion eines nahe gelegenen Sternriesen? Im Buch „Sternstunden des Universums“ hat Jörn Müller versucht die von der Explosion des Sternriesen Eta-Carinae ausgehenden Gefahren abzuschätzen.
Angst muss man nicht haben. Aber man kann sich ja mal Gedanken machen, was passiert, wenn es passiert. Die Rede ist von Eta Carinae, von einem der beeindruckendsten Sterne in unserer Galaxis. Zu finden ist dieses „Sternmonster“ am Südhimmel, im Sternbild Schiffskiel, in einer Entfernung von 7.500 Lichtjahren. Eta Carinae gehört zu der sehr seltenen Klasse der so genannten „Leuchtkräftigen Blauen Veränderlichen“ (LBV). Mit einer Masse von 100 bis 120 Sonnenmassen und einer Oberflächentemperatur von etwa 30.000 Grad ist er so leuchtkräftig wie zusammen circa 4 Millionen Sonnen. Im Bereich infraroter Strahlung gehört der Stern, neben unserem Sonnensystem, sogar zu den hellsten am Himmel. 99 Prozent seiner Leuchtkraft entfallen allein auf diesen Wellenlängenbereich. Könnte man Eta Carinae an die Stelle unseres Zentralsterns setzten, so würde er mit einem Durchmesser von rund 1,54 Milliarden Kilometer bis zur Bahn des Planeten Jupiter reichen.

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Eta Carinae (Bildquelle: http://apod.nasa.gov/apod/ap080617.html)

Man vermutet, dass Eta Carinae mit einer Masse von circa 150 Sonnenmassen „geboren“ wurde. Aufgrund eines starken Sternwindes und zahlreicher Massenausbrüche hat er davon mittlerweile etwa 30 Sonnenmassen eingebüßt. Erstmals katalogisiert wurde der Stern im Jahr 1677 von dem englischen Astronomen und Mathematiker Edmond Halley, der auch den nach ihm benannten Halleyschen Kometen als Erster beobachtete. Eta Carinae war damals ein Stern mittlerer Helligkeit, also mit bloßem Auge zu erkennen. In den Jahren bis 1730 nahm seine Helligkeit kontinuierlich zu, sodass er sich schließlich zum hellsten Stern im Sternbild Schiffskiel entwickelte. In den folgenden Jahren verblasste er wieder zu seiner ursprünglichen Helligkeit, um sie bis zum Jahre 1820 allmählich wieder zu steigern. 1827 war er schon wieder 10-mal so hell. Dieses Schauspiel wiederholte sich noch zweimal in der Zeit bis 1837.

Im Jahr 1841 überstürzten sich die Ereignisse. Ein gewaltiger Ausbruch, ähnlich einer Supernova, erschütterte Eta Carinae. An seinen Polen stieß der Stern etwa 10 Sonnenmassen an Materie aus, die mit einer Geschwindigkeit von circa 700 Kilometern pro Sekunde in den Raum hinaus schoss und zwei riesige, pilzförmige Gas- und Staubwolken, den so genannten „Homunkulus-Nebel“, formte. Einer dieser „Pilze“ ist so gerichtet, dass man seinen Kopf gut erkennen kann, der andere weist von uns weg. Trotz Eta Carinaes Entfernung von 7.500 Lichtjahren, machte ihn dieser Ausbruch 1843, neben Sirius, zum zweithellsten Stern am Nachthimmel. Anhand der Masse und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der bipolaren Wolken konnten Astronomen auch deren Bewegungsenergie berechnen und damit auf die Gewalt des Ausbruchs schließen. Es zeigte sich, dass Eta Carinae dabei eine Energiemenge freigesetzt hat, wie sie unsere Sonne in 200 Millionen Jahren produziert. Die beiden Wolken, die sich gegenwärtig bereits rund 6,4 Billionen Kilometer in den Raum hinaus erstrecken, dehnen sich noch immer mit einer Geschwindigkeit von etwa 660 Kilometern pro Sekunde aus.

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28.07.2017
Publiziert in News

1. Zum Zerfall des Higgs-Bosons

Am Large Hadron Collider (LHC) in Genf werden pro Tag rund 20.000 Higgs-Bosonen erzeugt. Die mittlere Lebensdauer dieser Teilchen liegt bei 10-22 Sekunden. Als Zerfallsprodukte hat man bisher vornehmlich den Zerfall in Bosonenpaare (z.B. in zwei Photonen, in ein W+ und ein W- oder auch in ein Z0 und ein Anti-Z0) und in Leptonen (z.B. in ein Tau und ein Anti-Tau) beobachtet.

Doch nach dem Standardmodell der Teilchenphysik müsste das Higgs-Feld auch mit anderen Fermionen als den Leptonen wechselwirken, mit Teilchen, die unter anderem in Form von Quarks die Grundbausteine der Materie bilden. In Frage kommen dabei der Zerfall in ein charm- und ein Anti-charm-Quark sowie in ein bottom- und ein Anti-bottom-Quark.

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Mögliche Zerfallskanäle des Higgs-bosons

Bildquelle: http://atlas.physicsmasterclasses.org/de/zpath_hboson.htm

Eigenartigerweise hat man gerade den Zerfall in zwei bottom-Quarks, der nach der Theorie mit 57 Prozent alle Zerfälle am häufigsten auftreten sollte, nicht eindeutig nachweisen können. Als Grund dafür geben die Wissenschaftler am LHC die enorme Menge an bottom-Quarks an, die bei den Zerfällen vieler anderer Teilchen auftreten und schwer von dem speziellen bottom/bottom-Quark-Zerfall des Higgs-Bosons zu trennen sind. Nach den Berechnungen der Physiker am ATLAS-Detektor des LHC sollten jedoch unter je 70.000 Hintergrund-Ereignissen rund 300 Higgs-Zerfälle in Bottom-Quarks auftreten. Doch nun berichten die Experimentatoren von der Entdeckung eines „Buckels“, einer Abweichung in den Zerfallskurven, die gut mit dem gesuchten bottom-Quark-Zerfall übereinstimmt. Obwohl die Signifikanz mit 3,6 deutlich unter dem für eine anerkannte Entdeckung nötigen Wert von 5 Sigma liegt, sind die Wissenschaftler überzeugt, dass das beobachtete Signal nur mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,018 Prozent von anderen Prozessen vorgetäuscht wird.

Sollte sich der Zerfall in zwei bottom-Quarks bestätigen, so wäre das der lange gesuchte Beleg einer Wechselwirkung des Higgs-Feldes insbesondere auch mit den fundamentalen Bestandteilen der hadronischen Materie.

Mittlerweile scheint es auch gelungen, den oben erwähnten Zerfall in zwei Tau-Leptonen eindeutig nachzuweisen.

2. Zur Masse des Protons

Seit wenigen Tagen gibt es neue Ergebnisse zur Masse des Protons. Im News-Beitrag vom 16.09.2015 haben wir unter dem Titel „Symmetriebruch der schwachen Kernkraft“ von Versuchen berichtet, die Masse von Proton und Antiproton zu bestimmen. Insgeheim hatten die Experimentatoren auf unterschiedliche Massen gehofft, auf eine Differenz, die eventuell ursächlich für die bekannte Materie-Antimaterie-Asymmetrie in der Frühzeit des Universums gewesen sein könnte. Doch ein Unterschied war nicht festzustellen. Abgesehen davon hängt von der Protonenmasse auch die Stabilität der Atome ab bzw. das Verhältnis der Protonen- zur Neutronenanzahl im Kosmos. Da Protonen um 1,4 Promille leichter sind als Neutronen, zerfallen freie Neutronen in Protonen und nicht umgekehrt. Wären die Protonen geringfügig massereicher als die Neutronen, sähe der Kosmos komplett anders aus.

Doch nun haben neuere Messungen eine deutlich geringere Protonenmasse geliefert: 1,007276466583 atomare Masseneinheiten (u) gegenüber dem bisherigen Wert von 1.007276466879 u. Obwohl sich der Massenunterschied erst in der neunten Stelle nach dem Komma zeigt, entspricht er lt. Mitteilung der beteiligten Wissenschaftler drei Standardabweichungen. Dass die Experimentatoren diesem neuen Wert vertrauen, wird mit der Präzision der Messungen begründet, die dreimal genauer sein sollen als alle bisherigen.

Mit diesem neuen Wert für die Protonenmasse verschiebt sich auch das Masse-Ladungs-Verhältnis des Protons. Entsprechend den bisherigen Ergebnissen war dieses Verhältnis bis auf einen Bruchteil von 69 Billionstel identisch mit dem des Antiprotons. Das wiederum bedeutete, dass auch die Masse des Antiprotons praktisch gleich der des Protons ist. Fragt sich nun, ob das nach wie vor gilt, oder ob auch die Masse des Antiprotons diese „Abmagerungskur“ mitgemacht hat bzw. ob es bei dem alten Wert für das Antiproton geblieben ist. Wenn nicht, dann wäre das, wie schon mehrmals erwähnt, ein Hinweis, warum die Natur die Materie anders als die Antimaterie behandelt hat. Ob entsprechende Messungen geplant sind, ist nicht bekannt.

 

22.07.2017
Publiziert in News

Am 19. Juli 2017 hat das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik das Ende der am 3. Dezember 2015 gestarteten LISA-Pathfinder-Mission  und damit verbunden den Beginn der Folgemission LISA (LISA = Laser Interferometer Space Antenna) bekanntgegeben. Im Newsbeitrag vom 04.12.2015 haben wir unter der Überschrift „Gravitationswellen“ ausführlich über beide Missionen und deren Technologie berichtet.  

Kurz zur Erinnerung: Um die von Einstein vorhergesagten Gravitationswellen aufzuspüren, sind seit einiger Zeit mehrere erdgestützte Detektoranlagen in Betrieb. Bis heute konnten damit drei durch die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern mittlerer Masse ausgelöste Gravitationswellenereignisse detektiert werden, und zwar am 11. Februar 2016, im Juni 2016 und am 4. Januar 2017. Die zugehörigen Signale hatten eine Frequenz im Bereich um 100 Hertz. Bei der Verschmelzung von supermassiven Schwarzen Löchern erwartet man jedoch Frequenzen im Bereich von 0,0001 bis 1 Hertz. Die erdgestützten Anlagen sind dafür jedoch zu unempfindlich. Man muss daher in den Weltraum, um eine entsprechend sensitive Detektoranlage zu betreiben.

Das von der ESA geplante Gravitationswellen-Observatorium LISA, dessen Start für 2034 vorgesehen ist, soll diese Aufgabe übernehmen. (Bild 1).

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Bild 1: Satellitendreieck des LISA Gravitationswellenobservatoriums
(Quelle: http://www.projectcollision.com/index.php?page=inSpace)

Wie in Bild 1 dargestellt, wird LISA aus drei über Laserstrahlen gekoppelte Satelliten verfügen, die ein gleichseitiges Dreieck mit einer Seitenlänge von 2,5 Millionen Kilometern aufspannen. Das ganze System soll in einem Abstand von rund 50 Millionen Kilometern der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne folgen

In jedem Satelliten befindet sich eine frei schwebende Testmasse, deren Entfernung zu den anderen Massen mit Hilfe von Laserinterferometern kontinuierlich überprüft wird. Zusammenstöße der Satelliten mit dem Staub im Weltraum, mit vereinzelten Protonen oder Mikrometeoriten und der Druck des Sonnenwindes versetzen jedoch die Satellitengehäuse relativ zu den frei schwebenden Testmassen. Um zu verhindern, dass dadurch die Testkörper gegen die Innenwand des Satelliten getrieben werden, haben die Techniker ein ausgeklügeltes System von Positionssensoren und Steuerdüsen vorgesehen, das derartige Verschiebungen korrigieren soll.   

Mit dem Start der Raumsonde LISA-Pathfinder (Bild 2) sollte vorab die Funktionalität dieser Technik getestet werden. Dazu enthielt die Sonde zwei im Abstand von rund 40 Zentimetern frei schwebende Gold-Platin-Würfel, deren Position mit Hilfe eines Laserinterferometers überwacht wurde. Man wollte prüfen, wie gut das System in der Lage ist die Testmassen von externen und internen Kräften oder möglichen Störungen abzuschirmen.

urknall weltall leben LISA Pathfinder   Mission erfüllt 2
Bild 2: Die Sonde LISA-Pathfinder
(Quelle: https://www.elisascience.org/files/imagecache/fullview/images/LPF01.jpg)

Wie die Wissenschaftler nach Ablauf der 16-monatigen Erprobungsphase feststellten, war das Testmodell LISA-Pathfinder außerordentlich erfolgreich. Auch Unterschiede im Gravitationsfeld, die durch die Sonde selbst verursacht werden könnten, waren gleich Null. Die Präzision bei hohen Frequenzen zwischen 0,06 und 1 Hertz übertraf die Erwartungen um das Doppelte, und auch im Frequenzbereich zwischen 0,0001 und 0,06 Hertz waren die Ergebnisse besser als gefordert. Wie Prof. Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover sowie einer der verantwortlichen Wissenschaftler der LISA-Pathfinder-Mission betont, kann nun die Arbeit am Bau des größeren und anspruchsvolleren LISA-Weltraum-Gravitationswellen-Observatoriums fortgesetzt werden. „Mit LISA werden wir die Verschmelzungen extrem massereicher Schwarzer Löcher aus dem gesamten Universum belauschen und ihre Eigenschaften erfassen. Damit ergänzen wir die Messungen irdischer Detektoren wie GEO600, LIGO und Virgo und vervollständigen unser lückenhaftes Bild von der dunklen Seite des Universums."

Damit hat die Test-Sonde LISA-Pathfinder ausgedient. Am 18. Juli 2017, kurz nach 20:00 Uhr MESZ, haben die Wissenschaftler die Sonde abgeschaltet. Schon im April 2017 wurde LISA-Pathfinder in einen weiten Orbit um die Sonne gehoben. Man will sicher sein, dass zumindest in den nächsten 100 Jahren die Sonde nicht mit erdnahen Satelliten kollidieren kann.

14.06.2017
Publiziert in News

Expansion des Universums, negativer Druck des Vakuums und Energieerhaltung

Ich möchte versuchen, ein wenig zur Klärung obiger Begriffe beizutragen, da im Forum immer wieder Fragen hierzu auftreten. Ausgangslage in der modernen Kosmologie:

Wir postulieren:

1.) Auf großen Skalen ist unsere Position im Universum durch nichts ausgezeichnet (sog. Kopernikanisches Prinzip)

2.) Das Universum sieht in alle Richtungen betrachtet gleich aus (wiederum auf ausreichend großen Skalen)

3.) Auf großen Skalen ist die vorherrschende Kraft im Universum die Gravitation, d.h. insbesondere, die Dynamik des Universums kann durch die Allgemeine Relativitätstheorie

beschrieben werden. (Die Reichweite der beiden Kernkräfte ist zu kurz und die elektromagnetische Kraft hebt sich auf großen Skalen durch gleich viele positive wie negative

Ladungen weg.) ...