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10.06.2009 12:46
#42
Raum, Erfahrung und Erkenntnis
Dr. Guillaume Belanger von der Gammastrahlen-Mission 'Integral' der Europäischen Weltraum-Organisation ESA (vom 'Science Operations Department' innerhalb des 'European Space Astronomy Centre' in Madrid) stellt in seinem neuen Essay Fragen nach unserer Welterkenntnis, nach unserem Wissen und letztlich nach uns selbst. Er umreisst seine Inspiration für diese einfachen aber grundlegenden Fragen im Kontext unserer Heim-Galaxie: ihren Sternen, ihrer Struktur und ihres Kerns, des supermassiven Schwarzen Lochs Sagittarius A*.
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Raum, Erfahrung und Erkenntnis

Dunkelheit... kalt... Stille. Absolute und perfekte Stille. In alle Richtungen: dunkel... kalt... leerer Raum. In der Entfernung: das blaue und vibrierende Glühen der Erde. Um sie herum: dunkler, leerer Raum. Venus, die nächste Nachbarin der Erde, ist 40 Millionen Km entfernt in Richtung Sonne. Der zweitnächste Planet, Mars, liegt 70 Millionen Km entfernt in die andere Richtung. Die Sonne, unsere lebenspendende Sonne, ist 150 Millionen Km entfernt von uns. Und der nächste Stern, Proxima Centauri, befindet sich in einer Entfernung von 4.37 Lichtjahren oder 40 000 Billionen Km. Unbegreiflich weit entfernt, und doch so nah im Vergleich zur Distanz zum Zentrum unserer eigenen Heim-Galaxie, von dem aus das Licht 26 000 Jahre benötigt, um zu uns zu gelangen. Dieses Zentrum, dieser Kern, dieses Herz, um das herum sich alles dreht - jeder Stern, jedes Staubkorn, jedes Molekül - und zu dem hin alles stürzt, ohne Rückkehr, ist ein ungewohnter Ort.


"In the distance: the blue and vibrant glow of the Earth. Around it: dark, empty space."
(image credit: NASA, Apollo 8 mission, taken by astronaut William A. Anders on December 24, 1968)


Was ist nah, was fern? Liegt ihr Haus nah oder fern von ihrem Arbeitsort? Ist Indien weit weg von ihrer Stadt? Ist der Mond weit entfernt von der Erde? Liegt das galaktische Zentrum nah oder fern vom Sonnensystem?

Was ist klein, was gross? Ist ein Virus klein und eine Spinne gross? Ist Ihre Hand klein und ihr Haus gross? Ist ihr Quartier klein und ihr Land gross? Ist Pluto klein und die Erde gross? Ist die Sonne klein oder gross?

Was ist riesengross, und wie gross ist riesengross? Ist unser Sonnensystem riesig? Unsere Galaxie? Ist der Himmel riesengross oder unser Lebensraum? Der Raum unseres Sehens und Hörens, der Raum des Schmeckens und der Berührung, der Raum unserer Gedanken? Sind sie gewaltig gross?

Die Milchstrasse enthält annähernd zweihundert Billionen Sternen. Wieviele davon haben Sonnensysteme? Das Gewicht all diese Sterne summiert sich zur 100 billionenfachen Masse der Sonne.  Aber wir wissen von ihren Kreisbahnen, dass die totale Masse der Galaxie etwa dem 1000 billionenfachen Sonnengewicht entspricht. Also machen alle Sterne, zusammen mit dem Staub und den Molekulargasen, annährend nur einen Zehntel des Gewichts unserer Galaxie aus. Wo ist der Rest davon, und was ist der Rest?

Wenn ein Partikel um ein massives Objekt kreist, hängt seine Geschwindigkeit entlang der Kreisbahn von seiner Distanz zum zentralen Objekt ab. Wenn es näher kommt, bewegt es sich schneller, wenn es weiter entfernt ist, bewegt es sich langsamer. Wenn die Umlaufbahn kreisförmig ist, bleibt die Geschwindigkeit konstant und hängt nur von der Masse des zentralen Objekts und der Distanz zu ihm ab. Im Sonnensystem, in dem die Planeten sich kreisförmig um die Sonne drehen, bewegt sich Merkur, der nächste zu ihr, mit ca. 50 Km/s, Venus mit 36 Km/s, die Erde mit 30 Km/s, Mars mit 25 Km/s und so weiter bis hinaus zu Uranus, der sich mit 7 Km/s und Neptun, der sich mit 4.5 Km/s bewegt. Aber alle Sterne der Galaxie, von denen wir eine exakte Bewegung im Verhältnis zum Zentrum messen können, bewegen sich im selben Tempo: sie umkreisen das galaktische Zentrum  alle mit einer Geschwindigkeit zwischen 220 und 240 Km/s. Das ist wirklich merkwürdig. Es ist, als würden sie von etwas in der Bahn gehalten, als wären sie eingebettet in einen unsichtbaren aber massiven, berührungslosen aber Schwerkraft bindenden kosmischen Gel. Fast noch erstaunlicher ist es, dass dieser verbindende kosmische Gel, die Dunkle Materie (wie sie genannt wird), für 90% der galaktischen Masse verantwortlich ist und damit ihre gesamte Dynamik steuert. Also ist dieser dunkle, kalte, leere Weltraum doch nicht so leer, wie er erscheint.

Bewegen wir uns jetzt weg vom Sonnensystem und entfernen wir uns langsam auch von der Scheibe unserer Galaxie. Ihre Struktur zeigt sich als eine anmutig geformte Spirale mit hell leuchtenden Armen, gesprenkelt von zahllosen punktförmigen Sternen. Sie dreht sich majestätisch in einer See von kaum sichtbar glimmendem Rot. Diese gewaltige und weit ausladende Spirale erstreckt sich über 100 000 Lichtjahre. Im Durchschnitt werden in unserer Galaxie pro Jahr 1 bis 2 Sterne geboren, normalerweise mit etwa der Hälfte der Sonnenmasse, manche aber auch viel grösser, mit dem 100-fachen Gewicht der Sonne oder mehr. Sie entstehen aus der Tiefe von molekularen Wolken, wenn diese unter ihrem eigenen Gewicht zusammenfallen. In diesem Kollaps entstehen dichte Kerne und bilden eine ideale  Voraussetzung für die Entwicklung neuer Sterne.


The heart of the Milky Way, the central molecular zone, with the supermassive black hole right at its centre, is seen bursting with activity in infrared light. (image credit: NASA, Spitzer Space Telescope, published in 2006)

Die Spiralarme winden sich nach innen und gehen über in den zentralen Sternbogen der Galaxie: Millionen von alten, rötlichen Sternen, die sich gleichmässig um das galaktische Zentrum drehen,  einer gestreckten Struktur von 27 000 Lichtjahren in der Länge. Dieser Sternbalken rast durch den Raum, reisst Gase und Staub mit sich und bestimmt ihre molekulare Dynamik. Wir nehmen an, dass sich die Gase von den Rändern bis zum innersten Kern der Galaxie entweder in grossen elliptischen Kreisbahnen parallel zum inneren Sternbalken drehen, oder in kleineren Bahnen senkrecht zu diesem und eingefasst von den grossen Kreisbahnen. Turbulenzen in ihrem Fluss lässt die Gase von der äusseren zur inneren Kreisbahn fliessen, und von dort in Richtung der zentralen Gravitationsquelle.

Der eine zentrale Punkt, um den sich alles dreht, ist der Ort des massivsten Objekts in der Galaxie: ein einzelnes Objekt mit einer Masse, die der von vier Millionen Sonnen entspricht. Es prägt die Raumzeit dieser zentralen Region und ist doch unsichtbar. Alles was wir von ihm wissen, verdanken wir Herleitungen und Rückschlüssen aus der Beobachtung seiner unmittelbaren Nachbarschaft. Zwar übersteigt die Folgerung,  dass sich im Zentrum unserer Galaxie ein gigantisches Schwarzes Loch befindet, konzeptuell unser Vorstellungsvermögen, sie ist aber doch zwingend.

Ein Schwarzes Loch: für diesen Zustand der Materie haben wir keine Beschreibung. In ihm übersteigt die Schwerkraft alle vorstellbaren Kräfte (indem sie zuerst alle Elektronen in eine einzige Hülle um die Protonen zusammendrückt, dann die Elektronen und Protonen gemeinsam zu Neutronen komprimiert, um dann auch deren Widerstände zu überwinden und die Neutronen in etwas Unvorstellbares und Unbeschreibbares zu transformieren, in einen Zustand der Materie, für den uns alle Ideen und Theorien fehlen). Tatsächlich ist es schwierig, das in ein Konzept zu fassen. Ein supermassives Schwarzes Loch von Millionen, in manchen Galaxien gar Billionen von Sonnenmassen, ist etwas extrem Fremdes. Es übersteigt unsere Vorstellungskraft so sehr, dass wir es fast natürlicherweise als Science Fiction abtun. Aber wir wissen, es ist keine Fiktion. Wir wissen, dass sich im Zentrum unserer Galaxie eine Konzentration von Dunkler Materie mit der Masse von vier Millionen Sonnen befindet. Wir wissen genau, wo  ihr Zentrum ist - exakt im dynamischen Mittelpunkt des zentralen Sternhaufens. Wir kennen ihre maximale räumliche Ausdehnung - sie muss sich innerhalb der engsten und weitesten Umlaufpunkte aller sie umkreisenden Sterne befinden. Und wir wissen, dass sie in Relation zur Galaxie unbewegt ist.

Das wissen wir aus der Beobachtung der hellsten Sterne in ihrer Umgebung, und auch aus der Bewegung der molekularen Gase. Tatsächlich haben wir vor fast dreissig Jahren herausgefunden, dass die beste Erklärung für die Bewegung der Gase in der zentralen Region der Galaxie die Massenverteilung eines ausgedehnten Sternhaufens von etwa drei Millionen Sonnenmassen sein muss, und eine kompakte Quelle von derselben Anziehungskraft genau im Zentrum der Galaxie. Daraus folgerte die Hypothese, dass das supermassive Schwarze Loch als sehr starke und kompakte Quelle von Radiowellen in Erscheinung treten müsste. Wenige Jahre später wurde diese entdeckt.

Das supermassive Schwarze Loch im Herzen der Galaxie ist bekannt als Sagittarius A*.

Ein Schwarzes Loch ist schwarz: es strahlt kein Licht aus. Newton publizierte seine Principia Mathematica im Jahr 1687, und seither kennen wir den Begriff der Fluchtgeschwindigkeit: Die Geschwindigkeit, in der sich ein Objekt bewegen muss, um die Gravitationskraft überwinden zu können. Interessanterweise ist diese Geschwindigkeit unabhängig von der Masse des entfliehenden Objekts und wird determiniert durch den Masse-Grösse-Quotienten des schwereren Körpers. Lange bevor Einstein 1905 und 1916 seine Theorien der speziellen und allgemeinen Relativität veröffentlichte, wurde schon festgestellt, dass die Fluchtgeschwindigkeit an der Oberfläche die Lichtgeschwindigkeit übersteigen könnte, wenn sich dieser Quotient vergrössert, entweder durch eine Vergrösserung der Masse oder durch eine Verkleinerung des Radius. Der Ereignishorizont, der Abstand von einer punktförmigen Masse, aus der kein Licht  entfliehen kann, dem einzigen Ort im Universum, wo das Licht still steht, ist bekannt als der Schwarzschild-Radius: 2GM/c2.

Für ein Objekt von 1 Sonnenmasse beträgt der Schwarzschild-Radius 3 Km. Für ein typisches Schwarzes Loch von 10 Sonnenmassen sind es 30 Km. Wenn man bedenkt, dass die Distanz zwischen uns und der Sonne 150 Millionen Km beträgt, knappe 8 Lichtminuten - können wir dann je davon träumen, das auch nur für das nächste Schwarze Loch in unserer Galaxie, V4641 Sagittarii (oder SAX J1819.3-2525) zu sehen, in einer Entfernung von etwa 1600 Lichtjahren? Nicht wirklich. Für Sgr A* beträgt der Schwarzschild-Radius etwa 20 Millionen Km. Von hier aus betrachtet, korrespondiert diese Weite mit einem Winkelmass von 19 Mikrobogensekunden. (Eine Bogenminute ist ein sechzigstel Grad, eine Bogensekunde ist der sechzigste Teil einer Bogenminute, und eine Mikrobogensekunde ist der millionste Teil einer Bogensekunde.) So unglaublich das scheint: heute sind wir fähig, Dinge im Grössenmass von 30 Mikrobogensekunden zu unterscheiden. Das schaffen wir mit Hilfe einer Very Long Baseline Interferometry (VLBI) genannten Technik, die sich auf ein Netzwerk von Radio-Teleskopen auf der ganzen Erde stützt. Als VLBI kürzlich benutzt wurde, um Sgr A* zu beobachten, zeigte sich die intrinsische Grösse der emittierenden Region in Wellenlängen von wenigen Millimetern bis ungefähr einer Astronomischen Einheit (AE).  Das ist so, als ob 4 Millionen Sonnenmassen im Raum zwischen Erde und Sonne enthalten wären. In etwa 5 Jahren werden wir fähig sein, den Schatten des Schwarzen Lochs zu unterscheiden, den dunklen Eindruck im Ereignishorizont, eine Delle in der Krümmung der Raumzeit, welche durch dieses massive Objekt vor dem Hintergrund der hellen und heissen Gasumgebung hervorgerufen wird.

Bei meiner Angabe zum Verhältnis zwischen der Fluchtgeschwindigkeit und dem Schwarzschild-Radius habe ich ein bisschen geschwindelt. Die Fluchtgeschwindigkeit in der klassischen Physik erhält man, indem man das Gravitationspotential zur kinetischen Energie eines Objekts mit Masse m gleichsetzt. Aber Licht hat keine Masse und ist deshalb nicht der Gravitationskraft unterworfen, oder doch? Obschon das Konzept eines astrophysikalischen Objekts, dessen Fluchtgeschwindigkeit grösser ist als die Lichtgeschwindigkeit, schon seit einiger Zeit vorhanden ist, gelten Schwarze Löcher formell nur als Objekte der Allgemeinen Relativität , und so können wir sie nur im Kontext von Einsteins Relativitätstheorie auch mathematisch berechnen.

Für Newton, wie für die meisten von uns in unserer Alltagswahrnehmung, existiert Raum, und Ereignisse geschehen zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb dieses Raumes. Die in diesem Raum enthaltenen Objekte haben keinerlei Einfluss auf ihn, egal ob sie sich in Relation zu einem Referenzpunkt bewegen oder stillstehen. Gravität wird als ein Feld verstanden, das den ganzen Raum durchdringt und seine Auswirkung überall, gleichzeitig und augenblicklich entfaltet. Unabhängig von ihrer Grösse wirkt jede Masse unmittelbar und überall auf jede andere Masse. Licht dagegen ist ohne Masse und ist deshalb der Schwerkraft nicht unterworfen. Es bewegt sich frei mit unverminderter Geschwindigkeit, in unbegrenzt geraden Linien.

Für Einstein dagegen waren Raum, Zeit, Materie und Energie so eng miteinander verbunden, dass man sich mit ihnen nicht befassen kann, als seien sie unabhängig von einander. Die Lichtgeschwindigkeit, von Michelson und Morley 1885 exakt mit 300 000 Km/s gemessen, ist die äusserste Geschwindigkeit im Universum: Nichts - keine wie immer geartete Information - kann schneller reisen als Licht. Materie, Strahlung und Energie sind einfach verschiedene Facetten derselben Sache,  die nicht eigentlich eine Sache ist, und die Art, in der sie verteilt werden, definiert die Form der Raum-Zeit. Nicht die Gravität, sondern die Krümmungsform der Raumzeit bestimmt die Flugbahn von Partikeln und Körper. Beachten Sie die Rafinesse dieser Auffassung: Die Anordnung der gesamten Energie, sei es als Materie oder Strahlung, formt die Raumzeit und bestimmt die Regeln jeder Bewegung. Aber all diese Energie, welche sich innerhalb der Raumzeit bewegt, folgt einer Form, die sie gleichzeitig selber definiert. Und weil nichts je stillstehen kann und jedes Partikel im Verhältnis zu etwas Anderem jederzeit in Bewegung ist, wandeln und verändern sich alle Raumzeiten, werden von der Materie und den Strahlen und als diese kontinuierlich neu geformt und modelliert.

Alles ist mit allem verflochten und vermischt. Raum und Zeit, Licht und Materie, Schwarze Löcher und Staubkörner; der Raum zwischen den Planeten, der Raum zwischen den Sternen, zwischen den Spiralarmen der Galaxie; der Raum unserer Welt: empfindlich und zart, leuchtend, grüne Blätter, ein einzelner Vogel sitzt auf dem kahlen Ast eines alten welken Baumes in der Morgensonne, ein Pappelsamen wirbelt durch die Luft, taumelt sanft hoch und nieder, vor und zurück in der warmen Sommerbrise. Der Raum unseres Lebens, unserer Gedanken und Gefühle, manchmal ganz weit und manchmal so klein, der Raum des Sehens und Hörens, manchmal so hell und manchmal ganz trüb, der Raum des Schmeckens und Berührens, manchmal so empfindlich und dann wieder ganz taub. Der Raum der Körper und des Geistes, der Raum, welcher unsere Körper umgibt, und der Raum zwischen unseren Fingern und Zehen, der Raum in unseren Nasenlöchern, in unserem Mund, unserer Kehle, in unserer Lunge und in unserem Bauch. Wo beginnen all diese Räume und wo enden sie? Wo finden wir eine Grenze, eine Trennung? Was wissen wir schon, was verstehen wir wirklich? Alles ist mit allem verbunden und vermischt.

Nachts schauen wir hoch zum Himmel und sehen Orion, den Jäger mit seinem hellen Gurt aus drei Sternen in einer Linie, sein Dolch weist nach unten, und seine Arme und Beine sind in alle vier Himmelsrichtungen ausgestreckt. Wie weit entfernt ist Orion? Wie weit entfernt sind die Sterne, die diese Figur an den Himmel zeichnen? Stehen sie nahe zusammen oder weit von einander entfernt? Sind manche Sterne hell und weit weg und andere schwächer und näher? Sind manche alt und andere jung? Wie steht es mit dem Grossen Bären, dem Grossen Wagen? Wie mit dem geflügelten Pferd, Pegasus? Was ist mit Aquila dem Adler und Cygnus dem Schwan? Was ist mit dem wolkenlosen, klaren, blauen Himmel  eines sonnigen Sommertags, wo sind die Sterne? Stehen sie hinter dem Blau des Himmels, sind sie in ihm verborgen? Und wie steht es mit deinen Gedanken, sind sie in deinem Kopf? Sind sie hinter deinen Augen? Ist nicht alles, was wir sagen, nur eine Art, über  Dinge zu sprechen, nur Beschreibung und Konvention, die uns das Kommunizieren ermöglichen? Wenn wir sagen "es ist heiss", was meinen wir damit? Und was meinen wir, wenn wir sagen "mir ist kalt"? Wenn wir von "Sternen", "Planeten", Galaxien" und "Universen" sprechen, was meinen wir damit? Wissen wir, was das alles ist? Wenn wir Blau sehen und wenn wir Grün sehen, was ist das? Sind es die Pigmente, das auftreffende Licht, eine Kombination der absorbierten und reflektierten Wellenlängen auf der Oberfläche? Wo ist dieses Blau, dieses Grün? Ist es auf einem Gegenstand, auf seiner Oberfläche oder in ihm? Ist es in den Augen, in den Zapfen und Stäbchen der Augen? Ist es im Hirn? Und jeden Tag, hundertmal, tausendmal am Tag, wenn du "ich" sagst, laut oder leise zu dir selbst, was meinst du damit?


The tumultuous unseen world of Orion.
(image credit: NASA, Hubble Space Telescope, published in 2005)


Guillaume Belanger ist Astrophysiker und arbeitet an der Gammastrahlen-Mission 'Integral' des Europäischen Weltraum-Astronomiezentrums der Europäischen Weltraumorganisation ESA in der Nähe von Madrid. Er erforschte während einigen Jahren die hochenergetische Ausstrahlung von Sagittarius A* und die zentrale molekulare Zone, welche den Galaktischen Kern umgibt. Guillaume ist ein 55-Minuten-40Km-Fahrradfahrer und ein 36-Minuten-10Km-Läufer, ein guter Koch, Ehemann und Vater. Er hat einen Masters Degree in Teilchenphysik von der Carleton University (Ottawa, Canada) und ein Doktorat in Hochenergie-Astrophysik von der Université de Paris 7 (Paris, France).

(Übersetzung aus dem Englische: rest)
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Kommentare zu diesem Beitrag
 

05.07.2009 17:29
Kommentar von Vasko Popvassilev
What remarkable summary and recapitulation of basic notions, as if Guillaume re-writes simple words with a new rediscovered alphabet.
I think that abilities of human brain to associate and travel, to shift positions and stand points and to relate is in fact faster and more powerful than light.

Exciting!