Gravitation – der Motor des Universums

GravitationNach Albert Einstein ist die Gravitation nicht das Resultat einer Kraft, sondern ergibt sich aus der Krümmung der Raumzeit in der Nähe von Masse. Versteht man die Raumzeit als Potenzialfläche, dann versuchen alle Objekte ihre Eigenzeit zu maximieren und alle Objekte bewegen sich entlang dieses Potenzials in Richtung minimal verbrauchter Zeit.
Und warum lautet der Titel dieses Beitrags dann Gravitationskräfte im Universum? Dass scheint ja dann offensichtlich falsch zu sein. Nun, das hat zwei Gründe. Einerseits empfinden wir die Gravitation im Alltag als Kraft und andererseits hat die theoretische Physik die Hoffnung, dass die Gravitation dualen Charakter haben könnte. Denn damit würden wir uns über die Quantengravitation der vereinheitlichten Weltformel nähern und die Widersprüche zwischen Quantenmechanik und Relativitätstheorie auflösen können.

Halt – Stopp, das reicht. Einverstanden, lassen wir das der mit theoretischen Physik, zumindest für den Moment. Ähnlich wie in meinen Beiträgen zu Entfernungen und Größenordnungen in unserem Universum soll es auch in diesem Beitrag möglichst anschaulich um die unglaublichen Kräfte gehen, die die Gravitation – obwohl die schwächste der vier Grundkräfte der Natur – in unserem Universum auslösen kann. Die Gravitation ist die Kraft, die unser Universum am Laufen hält.


Die Evolution hat bei uns Menschen genau die richtige Mischung aus Knochen, Muskeln und Körpermasse für das Gravitationsfeld unseres Heimtplaneten entwickelt. Und wenn wir die richtige Balance aus gesunder Ernährung und ausreichend Bewegung finden, liegt unser Körpergewicht im Durchschnitt bei 75 kg. So fühlen wir uns wohl und agil.
Die Gravitationskonstante der Erde, ein Maß für die Kraft, die die Erde auf uns ausübt, ist als 1 G festgelegt. Genau genommen erzeugt auch unser Körper ein Gravitationsfeld, das auf die Erde wirkt, aber das können wir vernachlässigen.

Nun ist die Erde nur ein kleiner Gesteinsplanet und hat damit eine recht geringe Gravitation. Die 1 G im Schwerefeld der Erde sollen uns dennoch als Eichung dienen, denn wir wissen, wie sich 1 G anfühlt. Schon zwei bis drei G und damit das doppelte bis dreifache Körpergewicht, wie es in einer Achterbahn durch die Beschleunigung verursacht wird, empfinden wir auf Dauer als äußerst unangenehm, denn dafür ist unser Körper nicht geschaffen. 3 G ist auch ungefähr der Wert, der auf der Oberfläche des Jupiters herrscht, sofern man bei einem Gasplaneten überhaupt von einer Oberfläche sprechen kann. Jedenfalls hätten wir größte Schwierigkeiten, uns in diesen Verhältnissen auf Dauer aufrecht zu halten.

Auswirkung der Jupiter Gravitation

Die Gravitation des Jupiters, obwohl an der Oberfläche nur dreimal so groß wie die der Erde, übt einen riesigen Einfluß auf die anderen Himmelskörper in unserem Sonnensystem aus. Er befreit die inneren Bahnen von größeren Asteroiden und Meteoriten und so hat sich überhaupt erst höheres Leben auf der Erde entwickeln können. Die nebenstehende Animation (im .webp Format – ggf. brauchst Du dafür ein Browser-Plugin) zeigt, wie der Jupiter die Bahnen der Asteroiden jenseits der Umlaufbahn des Mars beeinflusst.

Aber weiter zum größten und schwersten Himmelskörper in unserem Sonnensystem. Wenn es uns auf die Oberfläche der Sonne verschlagen würde und wir nicht augenblicklich verbrennen, würden wir qualvoll unter unserem Eigengewicht zerquetscht werden. Bei 28 G im Schwerefeld der Sonne beträgt unser Eigengewicht bereits 2,1 Tonnen, das Gewicht einer Oberklasselimousine. So muss sich ein gestrandeter Wal fühlen – ein qualvoller Tod. Da ist augenblickliches Verbrennen wahrscheinlich die bessere Wahl.

Unsere Sonne ist noch ein recht kleiner Stern und es gibt bedeutend größere Sterne in den Weiten des Alls. In meinem Artikel über die Riesen und Überriesen habe ich Euch einige von ihnen vorgestellt. Diese riesigen Sterne haben auch bedeutend mehr Masse als unsere Sonne, aber am Ende zählt für die Gravitation an der Oberfläche in erster Näherung die Dichte. Beteigueze beispielsweise ist zwanzig mal so schwer wie unsere Sonne, aber ca. 1000mal größer. Die Gravitation direkt an der Oberfläche dieses roten Monsters liegt daher nur bei 0,0003 G. Das ist weniger als bei einigen der bekannten Asteroiden in unserem Sonnensystem.

Exkurs: Physik der Gravitation

Gravitation - der Motor des UniversumsDie Gravitationswirkung einer idealen Kugel, und Sterne und Planeten können in erster Näherung so betrachtet werden, ist gemäß Newtons Gesetz der Gravitation nur abhängig von der Masse und dem Abstand zum Mittelpunkt dieser Kugel. Die Wirkung der Gravitation nimmt jedoch mit dem Quadrat des Abstands ab, sie wird also sehr schnell sehr klein. Für die riesigen Sterne mit ihrer geringen Dichte ist sie geradezu winzig und daher haben Riesensterne auch Schwierigkeiten, ein stabiles Planetensystem auszubilden. Wenn die Erde mit ihrer heutigen Umlaufgeschwindigkeit um die Sonne den roten Überriesen Beteigeuze umkreisen würde, läge die Bahn im Inneren dieses Giganten.

Die Dichte eines Objekts ist also für die Oberflächengravitation ein relevanter Faktor. Aktive Hauptreihensterne wie unsere Sonne liegen zwischen 20 und 50 G. Aufrechtes Stehen ist bei diesen Verhältnissen völlig unmöglich, denn unser Knochenbau kollabiert ab ca. 11 G. Braune Zwerge, die Leichen ausgebrannter kleinerer Sterne, verfügen bereits über eine Oberflächengravitation zwischen 160 und 300 G. Bei diesen Werten verliert auch massives Metall seine strukturelle Integrität – ab 80 G zerbricht ein Feuerhydrant unter seinem Eigengewicht.

Weiße Zwerge, die vermutlich aus reinem Diamant bestehen, haben an ihrer Oberfläche sagenhafte 400.000 G. Gravitation - der Motor des UniversumsAber selbst dieser extreme Wert stellt noch längst nicht den Rekord dar. Neutronensterne, die extrem dichten Überreste massereicher Sterne nach ihrem Ende als Supernova, erzeugen an ihrer Oberfläche eine Gravitation von 700.000.000.000 G. Hier ist die Gravitationskraft bereits so hoch, dass die Atome selbst kollabieren und die Elektronen in den Atomkern stürzen. Dabei vereinigen sie sich mit den Protonen zu Neutronen und geben damit diesen extrem dichten Himmelskörpern ihren Namen.

Und die Reihe geht weiter. Quarksterne haben einen G-Wert mit über 30 Stellen. Bei diesen hypothetischen Objekten sind auch die Atomkerne unter der enormen Last zermatscht worden und die Masse besteht aus reinen Elementarteilchen, einem Quark-Gluonen Gemisch. Wenn die Dichte noch weiter zunimmt, formt sich dann ein Schwarzes Loch und die Gravitation wird so stark, dass selbst die masselosen Photonen der Anziehungskraft nicht mehr entkommen können. Allerdings kann man für ein Schwarzes Loch keine sinnvolle Gravitationskonstante mehr mit den Mitteln der Newtonschen Mechanik berechnen. Dies geht nur noch nach der allgemeinen Relativitätstheorie und auch nur bis zum sogenannten Ereignishorizont, dem Abstand zur zentralen Masse des Schwarzen Lochs, ab dem selbst das Licht nicht mehr entkommen kann. Danach werden die Werte unendlich und unsere Physik endet.

Neutronensterne, Quarksterne und Schwarze Löcher sind also sehr seltsame Objekte mit äußerst spannenden Eigenschaften. Ich werde ihnen daher den nächsten Artikel in der Reihe „Unser Universum“ widmen. Bleibt also dabei…


Gravitation - der Motor des Universums

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4 Replies to “Gravitation – der Motor des Universums”

  1. Sehr schön erklärt. Hoffentlich versteht es auch ein physikalisch nicht vorgebildeter Leser. Hier eine Ergänzung zur Gravitation und von der Kollision Schwarzer Löcher erzeugten Gravitationswellen, nach denen man lange gesucht hatte. Ein Auszug aus der Süddeutschen Zeitung vom 4. Oktober 2017

    Gravitationswellen
    (Nobelpreis für Physik: Rainer Weiss, Barry Barish, und Kip Thorne)

    Eigentlich war es lächerlich anzunehmen, dass man so etwas je würde messen können. Eine heftige Gravitationswelle verändert die Distanz zwischen der Sonne und dem nächsten Nachbarstern Alpha Centauri (4,34 Lichtjahre oder 4,11 x 10 hoch 14 km) nur um Haaresbreite. Selbst wenn man so präzise arbeiten könnte, muss es im Kosmos schon gewaltig krachen, sonst wären die Wellen zu schwach. Wie viele solcher Kollisionen es da draußen gibt, war damals völlig unklar.
    Man konnte ja nicht ahnen, dass da schon seit 1,3 Milliarden Jahren eine Gravitationswelle durchs All unterwegs war, ausgelöst im Zusammenprall zweier riesiger schwarzer Löcher. Eine Welle, die an jenem 14. September 2015 die Erde erreichen würde. …

  2. Im Gegensatz zu Hilles Kommentar sehe ich nicht die Gefahr einer „zu theoretischen“ Darstellung. Mich fasziniert als Ingenieur durchaus, dass Worte die Phantasie so entzünden können, dass durch sie Welten angeschaut werden können, die für Menschen unerlebbar scheinen.
    Es ist gewiss unumgänglich, dass z.B. filmische Dokumentationen wegen ihres Bemühens um allgemeine Zugänglichkeit an einem Mangel an Darlegung des theoretischen Hintergrunds leiden. Denen geht es aber auch nicht so sehr ums Verstehen, als viel mehr ums Aufwecken, künftige Forscher zu gewinnen, Bildung vorzuspiegeln. Schnell versinkt das Wichtigste am Vorgespielten ins Vergessen, schade.
    Wo aber für die leider viel zu wenigen tiefer Interessierten, Spannendes in Schrift und Bild dargelegt wird, würde ich mich manchmal freuen, nicht nur die Zahlen sondern auch deren Entstehung nachvollziehen zu dürfen. Oft ist die Mathematik einfacher als ängstlich angenommen. Das habe ich z.B. beim Lesen von „Das dunkle Universum“ von Adalbert Pauldrach mit Freude bemerkt und möchte gern jene mit tieferer Kenntnis ihrer jeweiligen Wissenschaft bitten, sich bei Veröffentlichungen auch derer zu erinnern, die vielleicht zwischen laienhaftem Lusterlebnis und höheren naturwissenschaftlichen Weihen hängen geblieben sind.

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