Relativitätstheorie, Wurmlöcher und Zeitreisen

Das kann nur bedeuten, dass diese Zeit von Natur aus eine kosmische Signifikanz in sich birgt und beinahe so, als wäre sie der temporale Knotenpunkt für das gesamte Raum-Zeit Kontinuum … doch andererseits kann das alles nur ein dummer Zufall sein!Doc Emmet Brown - Zurück in die Zukunft II

Dass ich ein ausgesprochener Fan der Zurück in die Zukunft Trilogie bin, ist dem aufmerksamen Leser meiner Beiträge sicher nicht entgangen. In kaum einer anderen Geschichte wird so konsequent augenzwinkernd und gleichzeitig so konsistent und widerspruchsfrei mit der Zeit gespielt. Und dann noch die Sprüche von Doc Brown – einfach göttlich. In diesem Beitrag möchte ich mich aber etwas ernsthafter mit dem Thema Zeitreisen beschäftigen und sozusagen en passant mit einem hartnäckigen Mythos aufräumen.
Aber beginnen wir erst mal mit ein paar Grundlagen. Nach der Relativitätstheorie von Albert Einstein sind die drei Dimensionen des erlebbaren Raums und die Zeit keine getrennten Konzepte, sondern können nur zusammen betrachtet werden. Die Sprache ist von der sogenannten Raumzeit. Aus der Relativitätstheorie ergeben sich eine ganze Reihe von Vorhersagen, von denen bis zum heutigen Tage alle eingetroffen sind. Daher gelten Einsteins Theorien, sowohl die allgemeine Relativitätstheorie, die die Interaktion zwischen Massen und der Raumzeit betrachtet, wie auch die spezielle Relativitätstheorie, die den Ablauf der Zeit in bewegten Systemen in Beziehung zur Geschwindigkeit setzt, damit zurecht als unumstößliche Grundpfeiler der heutigen Astrophysik. Beide Theorien sind eng miteinander verknüpft, jedoch ist gerade die spezielle Relativitätstheorie mit unserer Alltagserfahrung nur schwer in Einklang zu bringen.

Die spezielle Relativitätstheorie


Grob vereinfacht besagt die SRT: Je schneller ich mich in Bezug zu einem anderen System bewege, umso langsamer vergeht für mich die Zeit in Bezug zu der Zeit in diesem System. Ein Astronaut, der mit annähernd Lichtgeschwindigkeit nach Proxima Centauri und wieder zurück reisen würde, käme in eine Welt zurück, in der sein Zwilling deutlich gealtert wäre.

Schwer vorstellbar – nicht wahr?

Albert Einstein hat für diese Theorie niemals den Nobelpreis erhalten, was daran liegen mag, dass die Konsequenzen seiner Theorie so unglaublich sperrig sind. Andererseits hat gerade diese Theorie die Fantasie über alle Maßen angeregt, denn die Tatsache, dass erlebte Zeit veränderlich ist, öffnet ja die verführerische Möglichkeit der Zeitreisen. Womit wir wieder bei Zurück in die Zukunft sind.
Die Möglichkeit von Zeitreisen in die Zukunft ist also eine direkte Schlußfolgerung aus der SRT – man muss nur einen Rundflug mit hohen Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit absolvieren. Eine Reise in die Vergangenheit ist nach der SRT hingegen völlig unmöglich, da der Lorentz-Faktor, der die relative Zunahme der Zeit im ruhenden Bezugssystem angibt, immer größer 1 sein muss. Und damit wird der wunderbare DeLorean von Doc Brown wohl leider vorerst eine unterhaltsame Fantasie bleiben, zumindest nach der geltenden Physik.

Zeitparadoxa

Jetzt verbietet die Physik und gerade die ART ja so wundervolle Science-Fiction Ideen wie Wurmlöcher, Warp-Antriebe oder auch das Beamen aus Star Trek nicht ausdrücklich. Allerdings sind die erforderlichen Energiemengen riesig groß oder es werden ebenfalls riesige Mengen exotischer Materie benötigt, einer Materieform, die nur auf dem Papier existiert. Zwar gibt es erste experimentelle Nachweise exotischen Verhaltens von Materie im Labormaßstab, doch bewegt sich der Nachweis im Bereich von wenigen Atomen. Aber um diese Details soll es heute nicht gehen. Wer dennoch diese Themen vertiefen möchte, kann dies gerne anhand der obigen Links tun.

Nein, wir wollen für den Augenblick einmal annehmen, dass uns diese Technologien auf wundersame Weise bereits zur Verfügung stehen und überlegen, inwieweit es uns dann möglich sein könnte, die Grenzen der SRT zu überwinden. Denn eine sehr hartnäckige Interpretation der Wurmlöcher-Theorien besagt, dass mit ihrer Hilfe Reisen in die Vergangenheit möglich sein müssten. Eine Interpretation, mit der viele SF-Autoren genüsslich spielen.
So viel vorweg – diese Interpretation ist aktuell wissenschaftlich sehr umstritten. Bevor wir uns aber diesen Überlegungen widmen, möchte ich erst mal kurz darstellen, welche paradoxe Möglichkeiten eine Umkehrung des Zeitpfeils eröffnen würden. Und dass diese Paradoxa ordentlich Stress auslösen können, sieht man allein an Marty McFly aus Zurück in die Zukunft, der eigentlich immer atemlos den Ereignissen hinterher hechelt, um das zuvor angerichtete Durcheinander wieder ins Lot zu bringen.
Veränderungen in der Vergangenheit scheinen also zu Schwierigkeiten zu führen. Das wird am besten am sogenannten Großvaterparadoxon deutlich: GroßvaterparadoxonWären wir in der Lage, in die Vergangenheit zu reisen, könnten wir dort auf die sicher verwerfliche Idee kommen, unseren eigenen Großvater zu töten. Das würde dazu führen, dass wir niemals das Licht der Welt erblicken würden und daher auch niemals in die Vergangenheit gereist wären. Welchen Zustand hätte dann unser Ich, nachdem der Rauch der Pistole sich verzogen hat?
Sehr schön finde ich auch die folgende Überlegung in einem Post aus einem Internetforum: „Reise ich selbst in die Vergangenheit und hindere mich daran in die Vergangenheit zu reisen, bin ich nicht in die Vergangenheit gereist und konnte mich daher auch nicht hindern, was bedeuten würde ich könnte in die Vergangenheit reisen und mich daran hindern in die Vergangenheit zu reisen, was aber bedeuten würde ich hätte mich daran gehindert in die Vergangenheit zu reisen und zu verhindern das ich in die Vergangenheit reise, was bedeuten würde…“

Wenn also Zeitreisen möglich wären, würden sie auch mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auftreten, was zu einer instabilen Vergangenheit führen würde. Allein die Tatsache, dass ich hier sitze und diese Zeilen schreibe und Ihr vor dem Bildschirm diese Zeilen lesen könnt, beweist, dass niemand in unserer Vergangenheit rumgepfuscht hat. Und in Zeiten des Internets kann theoretisch jeder meine Seite besuchen – was leider noch nicht geschehen ist – und damit haben wir offenbar alle eine stabile Vergangenheit. Jetzt kann man natürlich alternative Zeitlinien und parallele Realitäten einführen, eine Möglichkeit, mit der auch in Zurück in die Zukunft II genüsslich gespielt wird. Das verlagert das Problem aber nur, da man damit auch in einer alternativen Vergangenheit landet und nicht mehr in die eigene Zukunft zurückkehren könnte. Das ist ein Spielfeld für die Multiversen-Theorie und damit ein Fass, dass ich hier jetzt ganz bestimmt nicht aufmachen werde.

Wurmlöcher und Zeitreisen

Aufgrund der vorhergehenden Überlegungen sollte der Zeitverlauf aus Gründen der Konsistenz zwingend linear in die Zukunft zeigen und damit einen Pfeil darstellen, zumindest was die makroskopische Welt angeht. Auf der Ebene der Quanten scheint dies anders gelagert zu sein, aber die Quantenmechanik widerspricht bekanntlich ja in vielen Bereichen unserer Alltagserfahrung. Wenn der Zeitpfeil in der makroskopischen Welt aber zwingend in die Zukunft zeigt, was würde dies für Wurmlöcher, Warp-Antriebe & Co. bedeuten? Dazu…

Ein Gedankenexperiment
Nehmen wir einmal an, wir könnten ein Wurmloch nach Beteigeuze, einem roten Überriesen im Sternbild Orion, öffnen. Beteigeuze ist 650 Lichtjahre entfernt. Nehmen wir weiterhin an, dass wir die Raumzeit vollständig krümmen könnten und unser Wurmloch uns genau zu dem Augenblick in der Raumzeit bringen würde, den wir bei der Betrachtung der Schulter des Orion mit einem Teleskop auf der Erde jetzt gerade sehen. Wir würden also aus unserer Sicht 650 Jahre in die Vergangenheit reisen, denn das was wir auf der Erde durch unsere Teleskope sehen, ist bei Beteigeuze bereits vor 650 Jahren geschehen. Bei Beteigeuze steigen wir aus unserem Wurmloch und uns fällt mit Schrecken ein, dass wir zu Hause den Herd angelassen haben. Nicht schlimm – Reisen mit Wurmlöchern gehen schnell. Also öffnen wir ein neues Wurmloch in Richtung der Erde und begeben uns wieder nach Hause. Allerdings kommen wir nun weitere 650 Jahre in der Vergangenheit an und damit 1300 Jahre vor unserer Abreise – und die war gefühlt erst vor wenigen Minuten. Wurmlöcher – also das perfekte Werkzeug für Zeitreisende?

Moment mal, was war denn mit dem Zeitparadoxon und der Konsistenzbedingung? Wenn Zeitreisen auf diese Art stattfinden würden, wären wir ja bei der Rückkehr zur Erde in einer anderen Zeitlinie gelandet und könnten den Herd selbst dann nicht ausmachen, wenn wir 1300 Jahre abwarten würden. Und darüber hinaus – wie kämen wir wieder zurück in unsere eigene Zeitlinie in der Zukunft? Jedenfalls nicht mit einem Wurmloch.

Da also die Reise in die eigene Vergangenheit aus logischen Gründen prinzipiell unmöglich erscheint, folgt daraus, dass Wurmlöcher – sollten sie denn existieren – nur die Krümmung des Raums im Bezugssystem des Reisenden erlauben dürfen. Dass heißt, dass sich bei Durchgang durch ein Wurmloch bei nicht-relativistischen Geschwindigkeiten keine Zeitdilatation in Bezug auf den Abreiseort ergeben darf. Damit bewegen wir uns aber sozusagen mit Lichtgeschwindigkeit auf ein neues Problem zu. Dazu…

Ein weiteres Gedankenexperiment
Wir öffnen wieder ein Wurmloch nach Beteigeuze und durchschreiten es, allerdings landen wir diesmal nicht in der Vergangenheit, sondern haben nur die 650 Lichtjahre in wenigen Schritten durchmessen. Mal abgesehen von dem kleinen Problem, dass sich Beteigeuze in der Zwischenzeit bewegt hat – was aber eine lösbare Aufgabenstellung bei der Planung der Wurmlochkoordinaten darstellt – erscheint diese Form eines Wurmlochs äußerst praktikabel, erlaubt sie uns doch jetzt das Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit.

Der Science-Fiction Autor in mir ist geradezu begeistert. Der Physiker in mir stöhnt hingegen genau an dieser Stelle schmerzerfüllt auf, denn nichts darf sich nach der geltenden Physik schneller bewegen als das Licht. Wir haben hier also einen fundamentalen Widerspruch in der geltenden Physik. Nach der Relativitätstheorie ist die Raumkrümmung zu einem Wurmloch mathematisch möglich und eine ganze Reihe theoretischer Physiker haben sich mit diesem Thema beschäftigt. Albert Einstein selber hat zusammen mit Nathan Rosen in seinen Arbeiten zur Einstein-Rosen-Brücke die grundlegenden Prinzipien erläutert. Allerdings gingen die beiden zu diesem Zeitpunkt und auch viele Physiker heute noch von einem Wurmloch der ersten Art aus, was, wie wir gelernt haben, gegen die Konsistenzbedingung des Zeitpfeils verstößt. Sollten hingegen Wurmlöcher der zweiten Art physikalisch machbar sein, würde dies eine überlichtschnelle Informationsübertragung zwischen zwei Punkten im Universum ermöglichen. Dies ist aber vordergründig ein Widerspruch gegen die Relativitätstheorie, da sich nichts schneller als das Licht bewegen darf, auch keine Information. Man könnte nun argumentieren, dass sich ja nicht die Information bewegt hat, sondern das sich die Raumzeit selbst verändert hat, aber auch in dieser Frage sind sich die theoretischen Physiker uneins.

Einiges deutet also darauf hin, dass Wurmlöcher prinzipiell unmöglich sind. Das wäre sehr schade, denn bei den Entfernungen im Universum bedeutet dies, dass wir auf der Erde festsitzen. Allerdings ist bezüglich Wurmlöcher das letzte Wort in der Physik noch nicht gesprochen. Sollten Wurmlöcher entgegen der Erwartungen am Ende doch ein reales physikalisches Phänomen darstellen, dann tendiere ich dazu, dass sie keinesfalls den Zeitpfeil umkehren können, denn Zeitreisen stellen ein zu großes logisches Problem dar. Dies würde aber bedeuten, dass Wurmlöcher nicht allein durch Schwarze Löcher erzeugt werden können, denn große Massen verzerren die Zeit. Daher ist da wohl noch etwas anderes im Spiel.


Ich möchte diesen Beitrag mit einem weiteren Zitat schließen, um all denjenigen die Tür offen zu halten, die die Hoffnung nicht aufgeben wollen, einmal die Pyramiden in Ägypten zur Zeit der Bauarbeiten besuchen zu können.

Um 1900 hat der amerikanische Mathematiker, Physiker und Astronom Simon Newcomb eine ganze Reihe von Artikeln publiziert, in denen er behauptete, dass Maschinen, die schwerer als Luft sind, niemals fliegen könnten. Das sei „so klar bewiesen, wie man ein physikalisches Faktum nur beweisen kann“. Wenige Jahre später haben Orville und Wilbur Wright gezeigt, dass das Gegenteil wahr ist.Rüdiger Vaas - Bild der Wissenschaft (*)

(*) Der Artikel von Rüdiger Vaas ist lesenswert, diskutiert er doch die Möglichkeiten der Wurmlöcher und Warp-Antriebe aus einer etwas anderen Perspektive.


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WordPress Twenty Seventeen Parallax Scrolling – The Next Level

Der Bau einer Webseite ist vergleichbar mit der Renovierung des Kölner Doms – man ist nie fertig. Insbesondere die Möglichkeiten von HTML 5, CSS 3 und Javascript sind schier grenzenlos und laden zu Spielereien ein – zum Wohl oder Wehe der Ergonomie der Webseite. Mich persönlich fasziniert der Parallax Effekt und habe diesen für das moderne, aber recht einfach gehaltene Twenty Seventeen Theme implementiert. Details dazu findet Ihr in einem früheren Beitrag zu diesem Thema.

Grafischer Editor für die Gestaltung
Das Twenty Seventeen Theme, das der Webseite zu meinem Roman Der Kristall zugrunde liegt, hat aus gutem Grund eine begrenzte Breite für den Inhalt der Startseite und der Beitragsseiten. Das kann zwar leicht geändert werden, jedoch kommt die maximale Laufbreite der menschlichen Lesegewohnheit sehr entgegen. Auf großen 16:9 Bildschirmen führt dies allerdings im Fullscreen Modus des Browsers zu verwaisten Randbereichen, was das sehr reduzierten und cleanen Designsprache das Twenty Seventeen Themes ein wenig abträglich ist. Also ran an die Tastatur und genau diese Stärke des Themes herausgearbeitet.

1. Einführung eines neuen Breakpoints bei 67em

Wenn die Breite des Browserfensters deutlich größer wird als die des Inhalts, begrenzen wir die Breite der einzelnen Bereichspanels und erzeugen so die Illusion eines Dokuments, das in der Webseite über dem Hintergrund schwebt.

@media screen and (min-width: 67em) {
    .home .twentyseventeen-panel {
        background-color: rgba(0,0,0,0.0);
    }
 
    .home .site-content-contain {
        background-color: #000;
    }
 
    .panel-content {
        max-width: 1000px;
        margin-left: auto;
        margin-right: auto;
        background-color: rgba(34,34,34,0.97);
        border-radius: 10px;
    }
}

 
Was bewirken nun diese CSS-Regeln? Zuerst einmal wird die Breite der Abschnittspanels auf 1000 Pixel begrenzt und in der Mitte des Browserfensters zentriert – die leicht abgerundeten Ecken gehören dabei zur Formsprache der Webseite. Der Hintergrund der Startseite wird vollständig transparent gemacht, damit das Hintergrundbild an den Seiten durchscheint. Zusätzlich werden die Bereichspanels leicht transparent gemacht zur Vorbereitung des zweiten Schritts.

2. Das Abschnittsbild auch hinter die Panels legen

Die im Customizer definierten Abschnittsbilder des Twenty Seventeen Themes laufen den Panels voraus. Damit kommt es nun zu Lücken. Also müssen wir das Abschnittsbild der Webseite, in diesem Fall die Pyramide, jetzt auch hinter die Panels legen. Genau dafür habe ich eben den Transparenzeffekt definiert. Und die zweite Regel schaltet den Abblendeffekt aus, den ich bei der ersten Implementierung des Parallax Scrolling Effekt eingeführt hatte, da dieser nun stört.

@media screen and (min-width: 67em) {
    .home .site-content-contain {
        background-image: url("/Pyramide.jpg");
        background-position: center center;
        background-attachment: fixed;
        background-repeat: no-repeat;
        background-size: cover;
    }
 
    .home .panel-image:before {
        display: none !important;
    }
}

 

3. Den Eventhandler für das Parallax Scrolling erweitern

Den Eventhandler, der die Pyramide beim Scrollen des Inhalts der Seite verschiebt, habe ich bereits in meinem ersten Beitrag zum Parallax Scrolling vorgestellt. Wir müssen ihn nur leicht anpassen.

jQuery(document).ready(function( $ ) {
    $(window).scroll(function() {
        var wHeight = $(window).height();
        var vHeight = $(document).height() * 1.2;
 
        var offset = "50% -" + parseInt($(this).scrollTop() / vHeight * wHeight) + "px";
 
        $(".panel-image").css("background-position", offset);
        $(".site-content-contain").css("background-position", offset);
    });
});

 


Das war’s auch schon wieder. Der Effekt kann auf der Startseite bei entsprechend breitem Browserfenster bewundert werden.

Hinweis: Der dargestellte Code ist leicht vereinfacht. Ich habe die Regeln am Ende browserspezifisch formulieren müssen, da die Microsoft Browser mit der sehr rechenintensiven Darstellung überfordert sind und das Bild sehr stark ruckelt. Die vorgestellte Lösung wird daher vorerst nur in Chrome, Firefox und Safari unterstützt. Die Technik, browserspezifische CSS-Regeln zu formulieren, könnt Ihr in meinem Beitrag zu responsiven Header Videos nachlesen.

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Große Sterne – Riesen, Überriesen und Hyperriesen

Vor Kurzem wurde von Astronomen mit den Teleskopen der Südsternwarte in Chile beobachtet, dass im Universum weitaus mehr große Sterne gebildet werden,Sonne und Planeten als nach dem aktuellen Stand der Theorien zur Sternentstehung zu erwarten ist. Die Folgen sind weitreichend und stellen aktuelle kosmologische Modelle in Frage. Ich habe diese Meldung zum Anlass genommen, nach meinem Artikel über die unglaublichen Entfernungen im Universum, diesen Artikel den großen Sternen zu widmen. Auch dieses Mal werde ich versuchen, die schier unglaubliche Ausmaße dieser kosmischen Giganten durch Vergleiche mit bekannten Größen begreifbar zu machen.


Wir beginnen unsere Reise zu den unglaublichsten Körpern im Universum in unserem eigenen Sonnensystem. Wenn Ihr Euch das Titelbild dieses Beitrags bereits genauer angeschaut habt, dann ist Euch sicher das kleine Wörtchen „Us“ unten links in der Ecke aufgefallen. Möglicherweise ahnt Ihr auch schon die Bedeutung dieser beiden Buchstaben. Die volle Bedeutung erschließt sich aber erst, wenn man das Bild anklickt. Bevor wir starten, lasst dieses Bild einmal auf Euch wirken.

Größenverhältnisse in unserem Sonnensystem

Wir leben auf einem kleinen Gesteinsplaneten auf der dritten Umlaufbahn um unsere Sonne. Und obwohl unser Heimatplanet im Vergleich zu den größeren Gasplaneten und erst im Vergleich zur Sonne nahezu winzig ist, erscheint er uns in unserer Alltagserfahrung unglaublich groß. Würden wir das schnellste uns zur Verfügung stehende Verkehrsmittel, ein Passagierflugzeug, benutzen, dann würden wir für eine Umrundung der Erde immer noch fast zwei Tage benötigen. Gut, das ist vierzig mal schneller also noch zu Jules Vernes Zeiten und dennoch – 40 Stunden mit knapp 1000 km/h sind schon ein Wort. Mit dem Auto bei der typischen Durchschnittsgeschwindigkeit auf einer Autobahn würde die Umrundung der Erde immer noch fast 17 Tage dauern und das ohne Pausen zum Tanken oder sonstige Bedürfnisse.

Trotzdem ist unsere Erde ein winziger Planet, insbesondere im Vergleich zum Jupiter, dem größten Planeten in unseren Sonnensystem. Der Jupiter besteht nur aus Gas, das von der Eigengravitation zusammengehalten wird – zum überwiegenden Teil einfacher Wasserstoff. Zum Glück ist die Masse des Jupiters jedoch zu gering, als dass die Kernfusion hätte zünden können, denn sonst hätte das Leben auf der Erde eine ganz andere Entwicklung genommen.
Jupiter verfügt über mehr Masse als alle anderen Planeten unseres Sonnensystems zusammen und es sind aktuell 67 Monde bekannt – also bereits ein kleines System. Der Jupiter wiegt 318 mal so viel wie unsere Erde und sein Umfang beträgt unglaubliche 447.000 Kilometer, das ist etwas mehr als der Abstand Erde – Mond.
Der Jupiter ist also ein Gigant. Mit unserem Flugzeug wären wir bereits 18 Tage in der Luft, um den Jupiter einmal zu umrunden – nicht gerade ein Traumurlaub, aber noch realistisch machbar.

Kommen wir zu unserer Sonne, unserem Heimatstern. Es handelt sich um einen Hauptreihenstern der Spektralklasse G2V, d. h. sie gehört weder zu den übermäßig großen Sternen noch zu den kleinen Zwergen. Und gerade diese Durchschnittlichkeit begünstigt das Leben auf der Erde. Ein Umstand, für den wir sehr dankbar sein dürfen.
Trotz der Tatsache, dass unsere Sonne unter ihren Geschwistern eher zu den unscheinbaren Exemplaren gehört, verfügt sie bereits über stattliche Ausmaße. Sie ist 700 mal so schwer wie alle Planeten des Sonnensystems zusammen und der Umfang beträgt ca. 4.400.000 Kilometer. Das ist das 110-fache des Umfangs der Erde. Steigen wir wieder in unser Flugzeug und umrunden damit die Sonne. Dieser Flug würde 185 Tage oder fast ein halbes Jahre dauern. Mit einer Apollo, die bereits mit 40.000 km/h unterwegs ist, dauert dieser Flug immer noch 5 Tage. Und selbst das Licht benötigt immerhin noch 15 Sekunden, um die Sonne einmal zu umrunden – unglaublich, denn auf der Strecke Erde – Mond vergehen gerade mal 1,3 Sekunden.

Ich hoffe, ich konnte Euch ein Gefühl für die Größe unserer Sonne vermitteln, denn wir werden unsere Sonne als Vergleichsmaßstab heranziehen, wenn wir uns gleich mit den wirklich großen Sternen beschäftigen.

Riesen und Überriesen

Schauen wir uns zuerst den roten Riesen Aldebaran an. Dieser ist 67 Lichtjahre von uns entfernt und liegt sozusagen in unserer direkten kosmischen Nachbarschaft. Obwohl Aldebaran nur über zweieinhalb mal so viel Masse verfügt wie unser Heimatstern, ist er 45 mal größer. Dieser Stern ist also im Endstadium seines Lebens angelangt und verbrennt gerade seine letzte Energie als roter Riese. Um Aldebaran ranken sich einige Internetmythen und Esoteriklegenden, von denen wir uns an dieser Stelle aber nicht weiter ablenken lassen wollen. Viel interessanter ist der Vergleich mit den Größenordnungen in unserem Sonnensystem. Das obige Bild zeigt bereits das Größenverhältnis zur Sonne – ein paar Zahlen können den Eindruck vertiefen. Unser Flugzeug wäre auf seinem Rundflug über die Oberfläche von Aldebaran sagenhafte 23 Jahre unterwegs, die Apollo immerhin noch über 2 Jahre. Wenn sich unsere Sonne jemals zu einer solchen Größe aufblähen würde, würde sie die Erde und wohl auch den Mars auf ihren Laufbahnen verschlucken. Allerdings kann sie das nicht, dazu fehlt ihr die notwendige Masse.

Ähnlich groß wie Aldebaran ist Rigel, ein weiterer Stern, dessen Namen man schon mal gehört hat. Immerhin ist er der hellste Stern im Sternbild Orion und das obwohl er bereits 800 Lichtjahre von uns entfernt ist. Das er uns trotzdem so hell erscheint, liegt daran, dass er nicht zu den roten Riesen gehört, sondern zur Klasse der blauen Riesen. Seine Oberflächentemperatur ist fast dreimal so hoch wie die der Sonne.

Exkurs: Klassifikation von Sternen

Sterne werden nach dem Hertzsprung-Russel-Diagramm nach Leuchtkraft (u.a. abhängig von der Größe) und der Spektralklasse, also der Farbe (abhängig von der Oberflächentemperatur), klassifiziert. Wie man an diesem Diagramm sehr gut erkennen kann, liegt unsere Sonne schon in dem bereits erwähnten Durchschnitt der von links oben nach rechts unten führenden Hauptreihe der normalen Sterne. Wie die Riesensterne entstehen, wird derzeit immer noch erforscht. Gängige Theorien setzen das Vorhandensein großer Gas- und Materiewolken voraus, allerdings wurden hier auch schon Ausnahmen beobachtet. Wie auch immer, die Riesensterne sind für die Entstehung von Leben im Universum ein unentbehrlicher Helfer, erzeugen sie doch im Augenblick ihres Todes als Supernovae die schweren Elemente, die in kleinen Sternen nicht gebildet werden können, und werfen sie in den weiten Raum, bevor der Rest zu einem Neutronenstern oder Schwarzen Loch kollabiert.

Zurück zu unserem Thema. Selbst Aldebaran und Rigel sind nur Zwerge unter den Riesen. Im Sternbild des Orion liegt Beteigeuze, ein sogenannter roter Überriese und einer der hellsten Sterne im Umkreis von 1000 Lichtjahren. Beteigeuze ist mehr als tausendmal so groß wie unser eigener Heimatstern, wie die nachfolgende Abbildung anschaulich zeigt. Eine Umrundung mit dem Flugzeug ist unmöglich, es würde 500 Jahre dauern und selbst die Apollo wäre fast 13 Jahre unterwegs. Wir erinnern uns – die Apollo bräuchte von der Sonne bis zum Neptun ebenfalls gute 13 Jahre. Der Umfang dieses Riesen ist also bereits genauso so groß wie unser äußerster Planet von der Sonne entfernt ist. Beteigeuze bedeckt damit bereits einen großen Teil unseres Sonnensystems und würde den Jupiter verschlucken – unglaublich.

Beteigeuze ist gerade einmal 10 Millionen Jahre alt – das Leben der Riesensterne ist extrem kurz. Dieser rote Gigant ist bereits in der letzten Phase seines Sternenlebens angekommen und wird bald sein Dasein als Supernovae beenden. Wenn dies geschieht, wird er heller erstrahlen, als der gesamte restliche Nachthimmel. Wir müssen uns aber trotzdem keine Sorgen machen, Beteigeuze liegt gerade weit genug weg, dass er das Leben auf der Erde nicht in Gefahr bringen kann.

Aber selbst dieser unvorstellbar große Riese ist noch nicht das Maß aller Dinge im Universum. Der rote Hyperriese VY Canis Majoris ist noch mal doppelt so groß wie Beteigeuze und damit mindestens 2000 mal größer als unsere Sonne. Spätestens in diesem Monster findet unser Sonnensystem bis einschließlich Uranus Platz. Möglicherweise ist VY Canis Majoris sogar noch wesentlich größer, denn bei der Bestimmung der Größe gibt es signifikante Messfehler. Wenn es so wäre, läge selbst die Bahn des Neptun noch innerhalb der Ausdehnung dieses Giganten. Aber selbst wenn er nur 2000 mal größer als unsere Sonne ist, dauert die Umrundung dieses Sterns 26 Jahre mit der Apollo oder 1000 Jahre mit einem Flugzeug. Und selbst das Licht ist noch mehr als 8 Stunden unterwegs. Spätestens jetzt verlässt uns unsere Vorstellungskraft.

Und es gibt vielleicht noch größere Sterne da draußen, allerdings liegt der Messfehler bei der Größenbestimmung dieser Objekte in Bereichen, die einen fundierten Vergleich unmöglich machen. Daher soll unsere Reise in die Welt der größten Sternen an dieser Stelle enden. In einem der nächsten Beitrag der Reihe zu den erstaunlichsten Objekten in unserem Universum schauen wir uns das andere Ende des Spektrums an, die Welt der Winzlinge, der Neutronensterne, Quarksterne und Schwarzen Löcher. Wer in der Zwischenzeit noch tiefer in die Materie der Riesen und Überriesen einsteigen möchte, findet bei Wikipedia eine gute Übersicht und das nachfolgende Video ist sicher auch einen Blick wert.


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Entfernungen im Universum


Für uns Menschen, die wir uns nicht täglich mit der Astronomie beschäftigen – und auch für viele, die dies täglich tun – sind die Entfernungen in unserem Universum schlicht unvorstellbar. Sie sind so immens, dass wir dazu übergegangen sind, Entfernungen in Zeit zu messen. Zeit, die das Licht benötigt, um von einem Punkt im Universum zu einem anderen zu gelangen. Allerdings ist auch die Geschwindigkeit des Lichts für uns unbegreiflich und damit erschließt sich die wirkliche Größe des Universums für uns immer noch nicht.
Ich möchte Euch daher auf eine Reise durch unser Universum mitnehmen und wir werden uns dabei eine Vorstellung von der Größe des Universum erarbeiten. Wir beginnen unsere Reise ganz gemächlich und mit Entfernungen, die wir einordnen können. Dann arbeiten wir uns nach und nach zu höheren Geschwindigkeiten hoch. Während der Reise werde ich immer wieder Vergleiche mit Geschwindigkeiten anstellen, die ihr kennt und einordnen könnt, so dass sich am Ende das wahre Ausmaß des Universums erschließt.


Aber bevor wir starten, bitte ich Euch eine Seite des DLR zu besuchen. Dort gibt es eine maßstabsgerechte Darstellung unseres inneren Sonnensystems, in der man sich von der Sonne zur Erde scrollen kann und so eine Vorstellung von den Distanzen im inneren Sonnensystem erhält. Eine noch eindrucksvollere Version von Josh Worth zeigt das gesamte Sonnensystem auf einer Webseite. Allerdings braucht man hier beim Scrollen sehr, sehr viel Zeit, um von der Sonne bis zum Pluto zu gelangen. Wir werden weiter unten sehen, warum.

Entfernungen in unserem Sonnensystem

Beginnen wir mit dem Abstand der Erde zum Mond, der im Mittel ungefähr 400.000 Kilometer von der Erde entfernt ist.
Zum Vergleich: Der Erdumfang beträgt nur 40.000 Kilometer, also 1/10 der Entfernung Erde – Mond. Unser schnellstes terrestrisches Reisemittel, ein Passagierflugzeug, benötigt für die Umrundung der Erde gute 2 Tage. Ein Flug zum Mond würde mit dem Flugzeug daher knappe 3 Wochen dauern, allerdings ist ein Flugzeug nicht schnell genug, um der Anziehungskraft der Erde zu entkommen.
Wir brauchen also ein Raumschiff mit einer höheren Geschwindigkeit. Die Apollo der amerikanischen Mondmissionen schaffte bereits 40.000 km/h, war also 40 mal so schnell wie ein Passagierflugzeug. Die Apollo bräuchte für die Erdumrundung gerade mal eine Stunde und wenn man die Startphase und die Annäherung an den Mond mit einberechnet, gelang mit ihr der Flug zum Mond in wenigen Tagen.

Nehmen wir für die erste Etappe unserer Reise daher die Geschwindigkeit der Apollo als Referenz, um uns die Entfernungen in unserem Sonnensystem zu verdeutlichen. Wenn wir auf der Sonne starten würden, kämen wir mit unserem kleinen Raumschiff nach 60 Tagen am Merkur an. Der Abstand Sonne – Merkur ist damit fast hundertzwanzig mal größer als die Entfernung Erde – Mond. Die Venus umkreist die Sonne in einem knapp doppelt so großen Abstand wie der Merkur und wäre in 112 Tagen erreicht, aber bis zur Erde bräuchte die Apollo bereits 5 Monate. Wenn wir für diese Strecke in ein Flugzeug steigen würden, wären wir 200 Monate oder knapp 17 Jahre unterwegs. Unvorstellbar, nicht?

Fliegen wir weiter. Zum Mars benötigen wir mit der Apollo von der Erde aus weitere 3 Monate. Bis zum Jupiter würde die Reise von der Sonne aus 2 Jahre dauern und bis zum Saturn bereits 6 Jahre. Der Uranus ist 10 Jahre entfernt und der Neptun 13 Jahre.

Reisedauer mit einer Apollo von der Sonne zu den Planeten

Merkur60 Tage
Venus112 Tage
Erde5 Monate
Mars8 Monate
Jupiter2 Jahre
Saturn4 Jahre
Uranus8 Jahre
Neptun13 Jahre

 
13 Jahre bis zum Neptun? Und das, obwohl die Apollo mit 40.000 km/h schon recht schnell unterwegs ist und den Mond in weniger als einen Tag erreichen kann? Der Neptun ist also wirklich weit entfernt. Auch hier hilft wieder ein Vergleich: Bis zum Neptun wären wir mit einem Flugzeug bereits 520 Jahre unterwegs.

Unser Sonnensystem ist also riesig und das ist erst der Anfang. So erfolgreich die Apollo bei den Mondmissionen war, aber für einen Besuch der äußeren Planeten ist sie nicht zu gebrauchen. Und wenn wir unser Sonnensystem verlassen wollen, bekommen wir es mit ganz anderen Entfernungen zu tun. Eine Reise in realistischer Zeit zu den äußeren Planeten oder gar zu unseren direkten Nachbarsternen erfordert einfach eine viel höhere Geschwindigkeit. Bevor wir aber mit höheren Geschwindigkeiten arbeiten, stellen wir zuerst den Bezug her, denn wir verstehen Größenordnungen am besten im Vergleich.
Wir erinnern uns: Für die Entfernung zum Mond benötigen wir mit einem Flugzeug etwas mehr als 18 Tage und mit der Apollo gute 10 Stunden. Das Licht braucht für die Strecke Erde – Mond nur 1,3 Sekunden. Das ist schnell, damit können wir arbeiten. Schauen wir uns daher ein paar Entfernungen in unserem Sonnensystem bei Lichtgeschwindigkeit an.

Reisedauer des Sonnenlichts zu den Planeten

Erde8 Minuten
Mars13 Minuten
Jupiter43 Minuten
Saturn1 Stunde 10 Minuten
Neptun4 Stunden 15 Minuten
Pluto5 Stunden 30 Minuten

 
Pluto, mittlerweile kein offizieller Planet mehr, liegt bereits im Kuipergürtel, einem Bereich außerhalb der Umlaufbahn des Neptuns, der von unzähligen kleinen und kleinsten Objekten und Protoplaneten bevölkert ist. Dort ist es schon sehr kalt und unsere Sonne ist nur noch als winziger Lichtpunkt zu sehen, aber mit Lichtgeschwindigkeit ist dieser weit entlegene Bereich unseres Sonnensystems nur eine Tagesreise entfernt.
Zum Vergleich: Mit der Apollo wären wir bis zum Pluto ca. 17 Jahre und mit einem Flugzeug gute 680 Jahre unterwegs. Für diese Reise wird sich kein Astronaut freiwillig melden. Könnten wir jedoch ein Raumschiff bauen, das so schnell wie das Licht flöge, würden die Entfernungen in unserem Sonnensystem ihren Schrecken verlieren. Leider lässt die Relativitätstheorie dies für massebehaftete Objekte nicht zu. Und selbst wenn es möglich wäre, würde es uns für interstellare Reisen nicht viel weiterhelfen, denn außerhalb unseres Sonnensystems steigen die Entfernungen noch einmal deutlich an.

Entfernungen zu den benachbarten Sternen

Bis Proxima Centauri, dem zu unserer Sonne nächstgelegenen Stern, ist das Licht bereits 4,3 Jahre lang unterwegs. Erinnern wir uns, bis Pluto benötigt das Licht nur etwas mehr als 5 Stunden. Nutzen wir noch einen weiteren Vergleich, um uns die Entfernung zu Proxima Centauri vorzustellen: Vor 40 Jahren hat die NASA die Voyager Sonden auf den Weg gebracht. Nach einigen Swing-By Manövern sind diese jetzt eineinhalb mal so schnell wie die Apollo und haben unser Sonnensystem bereits verlassen. Bei ihrer derzeitigen Geschwindigkeit benötigen die Sonden bis Proxima Centauri dennoch mehr als 38.000 Jahre. Und sollten wir die Reise nach Proxima Centauri mit dem Flugzeug antreten wollen, müssten wir gar 2,3 Millionen Jahre Reisezeit einplanen.
Es scheint also so, dass die Entfernungen im Universum exponentiell zunehmen. Wenn es noch technisch möglich erschien, Pluto mit einer Apollo zu erreichen, für eine Reise nach Proxima Centauri ist bereits eine völlig neue Raumschiffgeneration erforderlich. Wissenschaftler der NASA gehen zurzeit davon aus, dass mit hinreichend fortschrittlicher Antriebstechnologie 10% der Lichtgeschwindigkeit in der Zukunft im Bereich unserer Möglichkeiten liegen. Bis Proxima Centauri wären wir mit einem solchen interstellaren Raumschiff also 43 Jahre unterwegs – nicht gerade ein Katzensprung, aber vielleicht machbar.
Dummerweise hat Proxima Centauri offenbar nur einen planetarischen Begleiter, so dass diese Reise nicht sonderlich lohnenswert erscheint. Da sieht es bei Gliese 581 im Sternbild Waage schon bedeutend besser aus. Allerdings ist dieser Stern mit seinen Planeten bereits 20 Lichtjahre weit entfernt und unser fortschrittliches Raumschiff würde demnach 200 Jahre unterwegs sein. Wir bräuchten also schon ein sogenanntes Generationenschiff – für alle Besatzungsmitglieder eine Reise ohne Wiederkehr. Gar nicht auszudenken, wenn sich die Planeten von Gliese 581 bei der Ankunft als karge Felsen entpuppen würden.

Diese beiden Beispiele machen deutlich, wie weit allein schon unsere nächsten Nachbarsterne entfernt sind. Wenn wir uns gar aufmachen wollten, unsere eigene Heimatgalaxie, die Milchstraße, zu erkunden, ist selbst das Reisen mit Lichtgeschwindigkeit quälend langsam, denn unsere Milchstraße hat einen Durchmesser von gut 100.000 Lichtjahren. Unser interstellares Raumschiff würde für eine Durchquerung der Milchstraße also ca. eine Million Jahre benötigen. Und eine Apollo oder gar ein Flugzeug? Nun – rechnet einmal selbst.

Entfernung zu anderen Galaxien

Die Milchstraße ist wiederum nur ein winziger Fleck im Universum. Die nächste, größere Nachbargalaxie, der Andromedanebel, ist bereits 2,5 Millionen Lichtjahre weit entfernt. Eine Reise zum Andromedanebel mit unserem Raumschiff, das die Strecke Erde – Mond in 13 Sekunden zurücklegen kann, würde 25 Millionen Jahre dauern und damit wären wir erst bei unserer direkten Nachbargalaxie angelangt. Und das ist nur ein winziger Schritt im Vergleich zur Größe des Universums. Unser Universum hat nach aktuellem Stand der Wissenschaft eine sichtbare Ausdehnung von 14 Milliarden Lichtjahren, das ist 5600 mal so groß wie der Abstand zwischen dem Andromedanebel und unserer Heimat-Galaxie. An dieser Stelle endet unsere Reise und unsere Vorstellungskraft, denn unser Raumschiff ist einfach zu langsam, um das Universum zu durchqueren. Die Reise würde länger dauern, als das Universum bereits besteht und unser Raumschiff wäre langsamer, als die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum zurzeit ausdehnt. Eine Reise ans andere Ende des Universums ist unter diesen Umständen offensichtlich unmöglich und auch Reisen mit der physikalisch maximal möglich Geschwindigkeit, der Lichtgeschwindigkeit, würde es nicht besser machen.

Unser Universum ist also richtig, richtig groß und es gibt unendlich viel Platz. Und dieser Platz ist gefüllt mit hunderten Milliarden Galaxien. Das Hubble-Teleskop hat dies eindrucksvoll mit der Aufnahme des Hubble Deep Field gezeigt, denn auf einem mit dem bloßen Auge dunkel erscheinenden, nur stecknadelkopfgroßen Ausschnitt des Himmels wurden mit dem Teleskop 10.000 weit entfernt liegende Galaxien entdeckt.

Die Position der Erde im Universum (zur Vergrößerung klicken)

Angesichts der Größe des Universums erscheint es einfach unvorstellbar, dass wir die einzigen Lebewesen sein sollten, die die Evolution hervorgebracht hat. Aber es scheint ebenso unvorstellbar, dass wir anderen Mitbewohnern unseres Universums jemals begegnen könnten, denn zumindest mit konventionellen Antriebstechnologien ist dies aufgrund der Entfernungen im Universum einfach nicht möglich. Allerdings hält die theoretische Physik und erst recht die Science-Fiction alternative Antriebe und Technologien bereit. Und vor hundert Jahren erschien allein die Reise zum Mond wie pure Science-Fiction. Geben wir also die Hoffnung nicht auf.

Im nächsten Teil der Reihe geht es um große Sterne, Riesen und Überriesen. Nicht verpassen…


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Einschlag eines primordialen Schwarzen Lochs

Neben den stellaren Schwarzen Löchern, die sich aus den Überresten ausgebrannter, massereicher Sterne bilden, gibt es noch eine zweite Klasse von Schwarzen Löchern. Nach dem berühmten Astrophysiker Steven W. Hawking könnten sich diese während der Inflationsphase kurz nach dem Urknall in der extrem heißen und hochverdichteten Energie- und Materiesuppe gebildet haben. Von diesen speziellen, primordial genannten und vergleichsweise kleinen Schwarzen Löchern habe ich bereits in einem früheren Beitrag berichtet. Hawking hat allerdings auch berechnet, dass die kleineren Exemplare aufgrund der sogenannten Hawking-Strahlung mittlerweile wieder verdampft sein müssten. Es wäre jedoch denkbar, dass einige größere Exemplare dieser kleinen Schwarzen Löcher sich Materie einverleibt und überlebt haben und heute noch durch das All vagabundieren, denn die Lebensdauer eines Schwarzen Lochs ist von der Masse in der dritten Potenz abhängig. Ein wenig mehr Masse und die Lebensdauer steigt extrem an. So oder so – primordiale Schwarze Löcher sind im Vergleich zu ihren stellaren Geschwistern winzig. Eines mit der Masse des Himalaja wäre nicht größer als ein Atom und eines mit der vierfachen Erdmasse wäre gerade mal so groß wie ein Apfel.

So klein? Schwarze Löcher werden doch immer als riesige, alles verschlingende Monster beschrieben? Auf diese Frage liefert die theoretische Physik eine Antwort. Für jede beliebige Masse gibt es ein Volumen, ab dem diese bei Komprimierung zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Den Radius – bei einer Kugel wird das Volumen nur durch den Radius bestimmt – nennt man Schwarzschild-Radius. Für nicht-rotierende Massen ist der Schwarzschild-Radius identisch mit dem Ereignishorizont und damit mit dem sichtbaren Schwarzen Loch.

Sollten diese winzigen Objekte wirklich existieren, wären sie aufgrund ihrer Größe so gut wie unauffindbar und damit durchaus ein Kandidat für die immer noch unbekannte Dunkle Materie – auch darüber habe ich berichtet. Und wenn sie existieren, dann kollidieren sie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit immer wieder mal mit anderen Himmelskörpern. Wissenschaftler haben daher die resultierenden Beben der Sonne nach einer hypothetischen Kollision mit einem sehr kleinen Schwarzen Loch berechnet. Demnach könnten solche Kollisionen durchaus für starke Sonneneruptionen verantwortlich sein.

Darüber hinaus nehmen einige namhafte Erdbebenforscher mittlerweile an, dass winzige primordiale Schwarze Löcher auch immer wieder mal auf die Erde treffen und dabei Auslöser für unerklärliche Erdbeben sein könnten.

Moment mal, ein Schwarzes Loch trifft die Sonne oder gar die Erde – dann müsste doch alles eingesaugt werden, oder? Nun, das ist die landläufige Meinung über Schwarze Löcher. Stimmt aber nicht. Ein Schwarzes Loch verfügt über eine Gravitationskraft entsprechend seiner Masse. Kleine Masse = geringe Anziehungskraft. Nur die supermassereichen Schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien sind echte allesfressende Monster. Ein kleines Schwarzes Loch in der Größe eines Atoms würde einfach durch die Erde hindurch fliegen, denn die Kollisionswahrscheinlichkeit mit anderen Atomen wäre nicht sonderlich hoch. Dabei nimmt das Schwarze Loch bei seltenen Kollisionen mit dem ein oder anderen Atom allenfalls ein wenig Materie mit. Die eigentliche Auswirkung einer solchen Kollision wären gravitationsinduzierte, leichtere Erdbeben, da selbst ein atomares Schwarzes Loch bereits über die Masse des Himalajas verfügt und damit die geologische Struktur unseres Planeten ordentlich in Wallung bringen würde. Grundlegende Berechnungen hierzu hat das Team rund um Shravan Hanasoge et. al. im Jahr 2012 angestellt.

Das folgende Video zeigt den Einschlag eines atomaren Schwarzen Lochs auf der Erde als künstlerische Animation. Der Einschlagkrater ist für ein atomares Schwarzes Loch sicher deutlich übertrieben, aber die Eindellung der Wasseroberfläche und die nachfolgende Flutwelle an der Stelle des Austritts ist meiner Meinung nach sehr realitätsnah gelungen.

Nicht auszudenken, sollte ein größeres Exemplar die Erde treffen, denn primordiale Schwarze Löcher können prinzipiell in jeder Größe vorkommen. Wenn dies jemals geschehen sollte, wären die Auswirkungen verheerend und würden die Welt, so wie wir sie kennen, für immer verändern. Genau dieses Szenario stellt die ultimative Bedrohung dar, mit der die Menschheit sich in meinem Thriller konfrontiert sieht.

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