Geheimnisvoller Kosmos

Astrophysik und Kosmologie im 21. Jahrhundert.

3. Auflage – aktualisiert und mit neuen Beiträgen.

Autor: Thomas Bührke
Autor: Roland Wengenmayr

Klappentext:

Astrophysik und Kosmologie im 21. Jahrhundert.

„Wie läuft die Fahndung nach der zweiten Erde? Wie beherrschen Dunkle Energie und Dunkle Materie die Entwicklung des Universums? Dieses Buch ist ein aktueller Reiseführer zu den Grenzen der heutigen Erkenntnis. Viele farbige Bilder und aussagekräftige Grafiken machen das Lesen zum Genuss.

Alle Beiträge in diesem Buch sind hochaktuell und von Fachleuten aus der Forschung geschrieben. Sie geben den Stand der aktuellen Forschung wieder, sind durchgehend farbig bebildert, aussagekräftige Grafiken fördern das Verständnis der Themen. Es handelt sich um eine für die breite Öffentlichkeit gemachte Sammlung von Expertenbeiträgen.“

„Für die dritte Auflage wurden alle Aufsätze aktualisiert und sieben neue Beiträge aufgenommen. So komplettiert ein Kapitel über spektroskopische Biomarker das nunmehr mit drei Beiträgen vertretene, hoch aktuelle Thema extrasolare Planeten. Zwei neue Artikel zur Antimaterie befassen sich mit den physikalischen Grundlagen, insbesondere der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Urknall, und dem Nachweis von Antiteilchen im Weltraum. Die Problematik der Dunklen Materie erhellt ein Kapitel über die derzeit laufenden Laborexperimente. Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop Herschel haben neue Erkenntnisse zur Galaxienentwicklung gebracht. Und nicht zuletzt lassen neue, hoch empfindliche Untersuchungen von Apollo-Mondgestein die Entstehung des Erdtrabanten in einem anderen Licht erscheinen. Astrophysik und Kosmologie machen also auch im 21. Jahrhundert große Fortschritte.“

„Sowohl der Fachwissenschaftler als auch der Hobbyastronom, der direkt am rasanten Erkenntnisgewinn der modernen Astrophysik und Kosmologie teilhaben möchte, kommt mit diesem Buch auf seine Kosten.“
Sterne und Weltraum

„…Wer sich einen schnellen, gleichwohl gründlichen Eindruck von Ergebnissen, Methoden und Problemen der Astronomie im 21. Jahrhundert verschaffen will, kommt an diesem Buch nicht vorbei.“
MaxPlanck Forschung

„Die Wissenschaft, richtig verstanden,
heilt den Menschen von seinem Stolz;
denn sie zeigt ihm seine Grenzen.“

Albert Schweitzer (1875 – 1965)
war ein deutsch-französischer Arzt, evangelischer Theologe,
Organist, Philosoph und Pazifist.

Presseinformation des Verlags:

Reiche nie einem Außerirdischen die Hand der Bestseller »Geheimnisvoller Kosmos« in aktualisierter Neuauflage beim Wiley-VCH-Verlag.

Faszinierende Reise zu Schwarzen Löchern und der Tarantel am Südhimmel.

Ein faszinierendes Thema spannend aufbereitet und verständlich erklärt: Das ist das Erfolgsrezept von »Geheimnisvoller Kosmos«. Nun erscheint der Bestseller in dritter Auflage beim Wiley-VCH-Verlag komplett überarbeitet und mit zahlreichen neuen Beiträgen.

Reiche nie einem Außerirdischen die Hand.

So stellt der Band u. a. jüngste Erkenntnisse zur Entstehung von Planetensystemen oder den Schwarzen Löchern vor und beleuchtet die Rolle, die Galaxienhaufen bei der Entwicklung des Universums spielen. Wunderbare Fotos entführen den Leser z. B. zu den Polardünen auf den Mars oder zu der Tarantel am Südhimmel. Im Beitrag zum Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie erfährt er, warum es keine gute Idee ist, einem Außerirdischen die Hand zu reichen: Es könnte Antimaterie sein. Hoch interessant ist in diesem Kontext auch der Beitrag zum Weltraumexperiment PAMELA¹⁾. Denn in ihm geht es um die Suche nach Antimaterie und die Erforschung der Dunklen Materie also um die beiden Hausrätsel der Astrophysik.

Die Entdeckung erdähnlicher Planeten rückt in greifbare Nähe.

Auch zu einem anderen Thema, das Wissenschaft wie Öffentlichkeit seit langem bewegt, berichtet »Geheimnisvoller Kosmos« Erstaunliches: Nie war es wahrscheinlicher, eine zweite Erde zu finden. Mit den sogenannten Biomarkern begeben sich Forscher auf die Suche nach erdähnlichen Exoplaneten oder Supererden. Die Entdeckung weiteren Lebens neben dem irdischen ist damit zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit in greifbare Nähe gerückt.

Präsentiert von ausgezeichneten Redakteuren.

Grafiken, zahlreiche farbige Abbildungen und praktische Infokästen tragen ihren Teil dazu bei, dass der Leser den Texten jederzeit zu folgen vermag. Sie wenden sich an naturwissenschaftlich interessierte Laien, Abiturienten, Studierende und Lehrer ebenso wie an Astronomen und Physiker.

Für die Qualität der Beiträge bürgt dabei nicht zuletzt das Renommee der Herausgeber. Roland Wengenmayr und Thomas Bührke wurden erst vor wenigen Wochen von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) mit der Medaille für naturwissenschaftliche Publizistik ausgezeichnet. Diese Ehrung für herausragende Verdienste, die Physik einem breiten Publikum darzustellen erhielten sie sowohl für ihr journalistisches Werk als auch für Buchpublikationen wie »Geheimnisvoller Kosmos« oder »Erneuerbare Energie« (beide Wiley-VCH)“.

Aus dem Inhalt:

Eine Leseprobe:

Planetenentstehung

Aus Staub geboren

HUBERT KLAHR | THOMAS HENNING

„Planeten entstehen gemeinsam mit ihren Zentralsternen im Urnebel aus Gas und Staub. Auf welche Weise das Wachstum vom mikroskopischen Staubkorn bis zum Planeten in allen Entwicklungsstufen vor sich geht, ist noch längst nicht geklärt. Seit der Entdeckung extrasolarer Planeten lassen sich aber erstmals Theorien an einer Vielzahl von Planetensystemen überprüfen.

Die ersten naturwissenschaftlichen Theorien über den Ursprung des Sonnensystems stammen aus dem 18. Jahrhundert. Aus der Tatsache, dass sich alle Planeten in gleicher Richtung und mehr oder weniger in einer Ebene um die Sonne bewegen schlossen Immanuel Kant und Pierre-Simon Laplace, dass das Sonnensystem aus einer Staub und Gasscheibe entstanden sein muss, die einst um die junge Sonne rotierte. Ein grundlegendes Problem dieses Modells liegt aber im gewaltigen Drehimpuls, den eine solche Scheibe mit ihrer riesigen Ausdehnung und Masse haben muss. Während die Masse unseres Sonnensystems in der Sonne konzentriert ist, sind 98 % des Drehimpulses in den Riesenplaneten gebunden [2]. Eine Theorie der Planetenentstehung muss deshalb auch die Umverteilung dieses Drehimpulses erklären, was zum damaligen Zeitpunkt unmöglich schien.

In den 1940er Jahren beschäftigte sich Carl Friedrich von Weizsäcker mit Fragen der Planetenentstehung [3]. Er hatte die geniale Idee, den Drehimpulstransport im Sonnennebel mit turbulenter Reibung zu erklären. Die Turbulenz erzeugt Viskosität, die den Drehimpuls nach außen fließen lässt, während die Masse nach innen strömt. Dies war die Geburtsstunde des heutigen Modells der Planetenentstehung in einer turbulenten Scheibe aus Staub und Gas. Damit war auch klar, dass die Planetenentstehung ein „natürlicher Nebeneffekt“ der Sternentstehung ist. Heute schätzt man auf Grund von Beobachtungen, dass 10 % aller sonnenähnlichen Sterne über Gasriesen wie Jupiter verfügen [1]. Der Anteil an kleineren Planeten wird vermutlich noch viel höher sein. Die genaue theoretische Beschreibung der Planetenentstehung hinkt dem fast explosionsartig anwachsenden Datenmaterial zu extrasolaren Planetensystemen und protoplanetaren Scheiben hinterher, wobei anzumerken ist, dass die Entstehung von Planeten bis heute noch nie direkt beobachtet wurde (siehe „Begrenzte Beobachtungsmöglichkeiten“ auf Seite 7). Zudem sind fast alle bekannten Planetensysteme fertig ausgebildet. Das trifft natürlich auch auf unser eigens zu, dessen Alter 4,56 Milliarden Jahre beträgt. Dies wissen wir von Altersbestimmungen der ältesten Gesteine insbesondere vom Mond, aber auch von Meteoriten. Nur in Detektivarbeit können wir etwas über die Reihenfolge der Bildung von festen Körpern im Sonnensystem erfahren. Hierbei spielen Altersbestimmungsmethoden eine wichtige Rolle.

Sterne entstehen noch heute, und seit einigen Jahren ist es möglich, die Staub- und Gasscheiben, die viele der jungen Sterne umgeben, räumlich aufgelöst zu beobachten (Abbildung 1). Man kann so davon ausgehen, dass man zumindest den Anfangs- und Endzustand der Planetenentstehung gut kennt. Es ist die Aufgabe der Theorie, diese beiden Zustände mit einem konsistenten Ablauf physikalischer Prozesse miteinander zu verbinden. Beschrieb von Weizsäcker die Planetenentstehung in seinem Artikel 1943 noch auf 37 Seiten, so füllte Victor Safronov zwanzig Jahre später bereits ein ganzes Buch mit seinem detaillierten Modell der Planetenentstehung [4]. Darin beschrieb er erstmals die meisten physikalischen Effekte, die wir heute als Grundlage zur Entstehung von Planeten benötigen. Diese Arbeit begründete das heutige Bild der graduellen Entstehung von Planeten aus der Zusammenlagerung von kleinsten Staubkörnern zu immer größeren Körpern [5].

Bis zum Jahre 1995 war die Theorie der Entstehung eines Planetensystems ausschließlich an einem einzigen Studienobjekt kalibriert: unserem Sonnensystem. So ist es nicht verwunderlich, dass die Theorie auch nur Planetensysteme vorhersagte, die in ihrer Struktur dem unsrigen ähneln. Unser Sonnensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die kleinen kompakten erdähnlichen Planeten (Merkur, Venus, Erde und Mars) sich nah der Sonne aufhalten und die massereicheren Gasriesen (Jupiter und Saturn) sowie die Eisriesen (Uranus und Neptun) weit entfernt die Sonne umrunden.

Riesenplaneten brauchen mehr Baumaterial und sollten daher nur in ausreichender Entfernung von der Sonne auftreten können. Auch wenn in einer protoplanetaren Scheibe die Dichte nach außen hin abnimmt, so befindet sich dennoch der Hauptanteil der Masse bei großen Radien. In diesen Bereichen liegen die Temperaturen so niedrig, dass gasförmige Substanzen wie Wasser als Eis vorliegen. Flüssiges Wasser gab es im Urnebel nicht, da der Gasdruck für diesen Aggregatszustand zu niedrig war. In der Nähe der Sonne verdampfte das Eis, und das verbleibende Material wie Silikate, also Sandkörner, reichte gerade aus, um Planeten bis zur Erdmasse zu bilden. Die Trennlinie, jenseits derer die häufigsten Gase ausfrieren, nennt man Schneegrenze. Sie befindet sich in unserem Sonnensystem je nach Modell bei 3 bis 5 Astronomische Einheiten (AE). 1 AE entspricht der mittleren Entfernung Sonne-Erde von 149,6 Mio. km. Die Schneegrenze trennt somit das innere Sonnensystem mit den terrestrischen Planeten vom Reich der Gas- und Eisriesen.

Die im Vergleich zur Erde 100- bis 300-mal massereicheren Planeten Saturn und Jupiter bildeten zunächst einen Eis- und Gesteinskern mit etwa 10 Erdmassen, der dann in der Lage war, Gase, wie Wasserstoff und Helium, aus dem Urnebel aufzusammeln. So entstanden ihre gewaltigen Atmosphären, die heute 90 % der Gesamtmasse ausmachen. Man erwartet, dass sich im Innern von Jupiter ein fester Planetenkern von knapp dreifachem Erddurchmesser befindet.

Deshalb waren die Planetenforscher vollkommen überrascht, als 1995 die Schweizer Astronomen Michel Mayor und Didier Queloz einen Planeten von annähernd Jupitermasse entdeckten, der seinen Mutterstern 51 Pegasi in einem Abstand von nur 0,05 AE umkreist. Laut gängiger Theorie war das unmöglich. Mittlerweile kennen wir rund 470 extrasolare Planeten und 47 Sterne mit mehreren Planeten (Stand: Juli 2010, siehe exoplanet.eu). Die meisten Systeme sehen ganz anders aus als unser Sonnensystem (Abbildungen 2 und 3). Dies ist zum Teil ein durch die Entdeckungsmethode hervorgerufener Auswahleffekt. Dennoch bleibt das Problem der extrem nahe am Zentralstern existierenden Riesenplaneten.

Diese Entdeckung war die Initialzündung für neue theoretische Modelle. Neue Effekte wurden entdeckt, und alte Theorien, die in der Schublade verschwunden waren, wurden wieder hervor geholt.

Heutige Modelle müssen zum einen unser Sonnensystem erklären können. Hierbei geht es mittlerweile um viele Details, wie die chemische Zusammensetzung von Meteoriten in Abhängigkeit vom Abstand zur Sonne oder die Isotopenhäufigkeit in Kometen. Zum anderen müssen sie die Mannigfaltigkeit an unterschiedlichen extrasolaren Planetensystemen erklären. Mittlerweile lassen sich nicht mehr nur die Massen und Bahneigenschaften bestimmen, sondern in einigen Fällen sind auch die mittleren Dichten und in ersten Ansätzen sogar die chemische Zusammensetzung einiger Planetenatmosphären bekannt. Damit bekommen die Theoretiker immer mehr Randbedingungen für ihre Modelle. Widmen wir uns nun den Entwicklungsstufen (Abbildung 4). …“

Pressestimmen:

Eigene Meinung / Beurteilung des Buches:

Das Buch »Geheimnisvoller Kosmos« trägt seinen Titel zu Recht, denn sensationelle astronomische Entdeckungen aufgrund beeindruckender Digitalaufnahmen gigantischer Großteleskope stellen die Experten auf den wissenschaftlichen Gebieten der Astrophysik und Kosmologie immer wieder vor neue Herausforderungen und Fragen. Der erste Fachartikel beschäftigt sich mit neuen theoretischen Modellen, die nicht nur unser Sonnensystem erklären, sondern auch unterschiedliche extrasolare Planetensysteme. Dabei bereitet den Astronomen die Frage, warum existieren Riesenplaneten sehr nahe an ihrem Zentralstern, am meisten Kopf zerbrechen. Unter dem Thema »Biomarker für eine zweite Erde« erforschen Astrophysiker die Bedingungen für die Bewohnbarkeit eines Planeten. Der entscheidendste Faktor hierbei ist die Existenz einer Atmosphäre und die Antwort auf die Frage, welche Bestandteile in der Atmosphäre sind gute Indikatoren für Leben?

Die Fachartikel sind in folgende Themenschwerpunkte gegliedert: Planetenwelten, Sterne und Schwarze Löcher, Observatorien heute und morgen sowie Kosmologie und Teilchenphysik. Die wissenschaftlichen Forschungsergebnisse werden durch Grafiken, Diagramme und Abbildungen anschaulich dargestellt und durch eindrucksvolle Fotos bildlich untermauert. Hilfreich zur Orientierung befindet sich auf jeder Doppelseite oben rechts der Gegenstand des jeweiligen Fachartikels. Am Ende der wissenschaftlichen Abhandlungen stehen eine kurze Zusammenfassung, ein Literaturverzeichnis sowie ein Foto, die Anschrift und ein kurzer Lebenslauf der jeweiligen Autoren.

Fazit:

Dieses Buch führt dem Leser deutlich vor Augen wie unvorstellbar komplex das Universum ist und die Bilder der Weltraumteleskope zeigen dem Betrachter die ehrfurchtgebietende Schönheit des Weltalls.

„Wir sollten den Kosmos nicht mit den Augen des
Rationalisierungsfachmanns betrachten.
Verschwenderische Fülle gehört seit jeher zum Wesen der Natur.“

Wernher von Braun – Wernher Magnus Maximilian Freiherr von Braun (1912 – 1977),
war ein deutscher und später US-amerikanischer Raketeningenieur,
Wegbereiter und Visionär der Raumfahrt.

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¹⁾ PAMELA: Payload for Antimatter Matter Exploration and Light Nuclei Astrophysics, ist ein Experiment der Teilchenastrophysik und dient der Erforschung von energiereicher kosmischer Materie und Antimaterie und der Astrophysik von leichten Atomkernen.

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Buchcover:

Geheimnisvoller Kosmos - Astrophysik und Kosmologie im 21. Jahrhundert von Thomas Bührke und Roland Wengenmayr erschienen in der Wiley-VCH Verlag GmbH & KGaA

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Verlag: Wiley-VCH Verlag; 3. Auflage (22. Januar 2014).
Seitenanzahl: 258 Seiten.
Bindung: Gebundene Ausgabe.
ISBN-10: 3-527-41267-0.
ISBN-13: 9-783527-41267-9.
Preis: EUR 29,90.