AstroGeo - Geschichten aus Astronomie und Geologie

• Cygnus X-1: Wie findet man ein Schwarzes Loch?

  Je nach Masse beenden Sterne ihre Entwicklung auf unterschiedliche Weisen. Ein Stern wie unsere Sonne – eher klein, eher gelb – endet als Weißer Zwerg. Massereichere Sterne hingegen verwandeln sich in Neutronensterne, die dichtesten Gebilde im Universum. Nur den massereichsten Sternen ist das wohl spektakulärste Schicksal vorbehalten: Sie kollabieren zu einem Schwarzen Loch. Weiße Zwerge und Neutronensterne können Astronominnen und Astronomen problemlos im All beobachten – aber Schwarze Löcher? Wie sollte man ein Schwarzes Loch beobachten können, das seinem Namen wirklich alle Ehre macht, da schließlich noch nicht einmal Licht ihm entkommen kann? Schwarze Löcher sind per Definition unsichtbar. Nachdem Forschende im Jahr 1939 die Existenz von Schwarzen Löchern vorhergesagt hatten, blieben diese zunächst ein rein theoretisches Gebilde. Wenn überhaupt, beschäftigten sich Mathematiker und theoretische Physiker damit, vor allem waren das die Liebhaber der Allgemeinen Relativitätstheorie. Astronomen und Astrophysikerinnen hingegen kümmerten sich nicht um Schwarze Löcher – denn noch war sich niemand sicher, dass es sie tatsächlich gibt. Das sollte sich erst in den 1960er-Jahren ändern. Damals wurde klar, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie nicht nur ein theoretisches Konstrukt ist, sondern sich auch an astronomischen Himmelsobjekten beobachten lässt. Da Schwarze Löcher eine Konsequenz aus der Allgemeinen Relativitätstheorie sind, stellte sich damit die Fragen, ob es sie tatsächlich gibt und falls ja, wie man sie überhaupt beobachten könnte. In dieser Folge erzählt Franzi, wie Astronominnen und Astronomen das erste Schwarze Loch entdeckt haben: eine helle Röntgenquelle namens Cygnus X-1 im Sternbild Schwan – und warum sie sich trotzdem lange Zeit nicht sicher sein konnten, dass es wirklich existierte.

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• Weiße Zwerge - die Rettung vor dem Schwarzen Loch?

  Heutzutage mögen Schwarze Löcher selbstverständlicher Teil des Weltalls sein, doch das war nicht immer so. Nachdem der deutsche Astrophysiker Karl Schwarzschild zu Beginn des 20. Jahrhunderts gezeigt hatte, dass Schwarze Löcher als Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie herauskommen, hatten Physiker in den folgenden Jahrzehnten nur ein Bestreben: Wie werden sie die merkwürdigen Objekte wieder los? Karl Schwarzschild hatte berechnet, dass ein Stern gar sonderbare Dinge mit der Raumzeit anstellt, wenn sein Volumen auf einmal so drastisch schrumpft, dass der Radius des Sterns unter dem sogenannten Schwarzschild-Radius liegt: Dann nämlich gäbe es jenseits dieses Radius` kein Entkommen mehr, hätten Licht oder Materie ihn einmal überquert. Die Raumzeit wäre zu stark gekrümmt, und im Inneren lauerte die Singularität: ein Ort mit unendlicher Dichte und noch vielerlei anderen Unendlichkeiten, über die sich selbst Albert Einstein am liebsten gar keine Gedanken machen wollte: Für ihn wäre es eine „Katastrophe“, wäre der Radius eines Körpers kleiner als sein Schwarzschild-Radius – würde ein Himmelskörper also zu dem werden, was wir heute als Schwarzes Loch bezeichnen. Da traf es sich gut, dass der Schwarzschild-Radius eines Sterns recht winzig ist: Bei der Sonne beträgt er nur wenige Kilometer. Und es sollte doch unmöglich sein, dass ein Stern einfach so zusammenstürzt und kleiner wird als dieser Radius – so glaubten viele Forschende? Tatsächlich würde ein Stern wie unsere Sonne einfach so unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenstürzen - wenn nicht der Strahlungsdruck der Kernfusion in ihrem Inneren einen Gegendruck erzeugen würde. Und das heißt: Vorerst bleibt die Sonne so groß wie sie ist. Aber was passiert eigentlich, wenn der Brennstoff eines Sterns am Ende seiner Entwicklung verbraucht ist? Was könnte einen solchen Stern davon abhalten, zu dem so „katastrophalen“ Schwarzen Loch zu kollabieren? In dieser Folge des AstroGeo-Podcasts erzählt Franzi, wie Weiße Zwerge und Neutronensterne den Kollaps eines Sterns zunächst aufhalten können – und wie sie deshalb das Universum fast vor der Existenz der Schwarzen Löcher bewahrt hätten.

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• Unsichtbare Wasserwelten: Was schlummert unter den Eisschilden?

  Am 22. Juli 2014 überfliegt der europäische Satellit Cryosat den Norden Grönlands einmal, und zehn Tage später ein zweites Mal. Er vermisst dabei die Eisoberfläche – und in diesen Daten finden Forschende später etwas Erstaunliches: Der Gletscher ist in nur zehn Tagen um 85 Meter abgesunken – und das auf einer Fläche von zwei Quadratkilometern. Mitten im grönländischen Eis hat sich ein Krater gebildet. Was da genau passiert ist, bleibt für über ein Jahrzehnt ein Rätsel. Karl erzählt in dieser Folge von der feuchten Unterlage der größten Eismassen der Erde: Gletscher bedecken knapp drei Prozent aller Kontinente. Sie beherbergen auch das größte Reservoir an Süßwasser in gefrorener Form. Immer mehr erkennen Glaziologinnen und Glaziologen, dass es tief unter dem Eis noch eine andere Welt gibt – und die ist feucht, eine Welt aus flüssigem Wasser. Dort liegen riesige Seen, Flüsse und Bäche, von denen viele miteinander verbunden sind. Dieses Wasser kann auch unter kilometerdickem Eis fließen, manchmal gemächlich und manchmal in rasantem Tempo. Lange waren solche subglazialen Gewässer nur schwer zu untersuchen. Nach ersten Indizien auf Basis seismischer Messversuche gelang es seit den 1990er Jahren, immer mehr Seen zu entdecken, die größtenteils unter dem antarktischen Eisschild, aber auch unter den Gletschern Grönlands oder Islands zu finden sind. Der Wostoksee unter über drei Kilometern Eis der Ostantarktis gilt heute sogar als sechstgrößter See der Erde. Welche Rolle die feuchte Unterlage der Gletscher spielt, ist bis heute eine offene Frage. Es scheint so, dass dieses subglaziale, flüssige Wasser selbst riesige Gletscher in Bewegung hält. Künftig könnte ein immer feuchterer Schmierfilm das Abschmelzen der grönländischen und antarktischen Gletschern beschleunigen – und damit beim Anstieg des Meeresspiegels kräftig nachhelfen. Die Gefahr ist real, denn vor Kipppunkten im gar nicht so ewigen Eis warnen Klimaforscher schon lange. Vielleicht ließe sich die Gefahr aber abmildern: Denn mit immer besserem Verständnis subglazialer Wassermassen gibt es neuerdings Ideen, diese zu manipulieren.

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• AstroGeoPlänkel: Echsen, Einstein und Ereignishorizont

  Euer Feedback zu den Geschichten im AstroGeo Podcast: Franzi und Karl sprechen im AstroGeoPlänkel über eure Reaktionen zu den vergangenen beiden Episoden – und führen erstmals das Lob des Monats ein: Ralf freut sich an der Mischung aus Astro- und Geo-Themen, den hohen Informationsgehalt und die unterhaltsame Aufbereitung. In Folge 119 ging es um außergewöhnliche Fossilien, deren Lebensweise in der Zeit eingefroren ist. Dabei erwähnte Karl den Sauropoden – einen Langhals-Dinosaurier – im Berliner Naturkundemuseum und nennt diesen Brachiosaurus. Ein Hörer weist darauf hin, dass der eigentlich zur Gattung Giraffatitan gehört. Das stimmt – allerdings heißt diese Gattung noch gar nicht lange so, weshalb auch nicht jedes Schild stimmt. Litten Dinosaurier unter Gelenkkrankheiten? Karl erzählt von einer neuen Studie und noch mehr: Er ergänzt den Fund eines kranken Tyrannosaurs rex, dem eine Infektionskrankheit schwer zugesetzt hatte. Ein Hörer schickt Fotos einer Eidechse, die offenbar einen Bau benutzt. Karl taucht deshalb nochmal tiefer in die Welt grabender Echsen ein, die äußerst selten sind und heutzutage lediglich in Nordamerika vorkommen. Franzi geht auf Rückmeldungen zur Folge 120 ein, in der sie vom Physiker Karl Schwarzschild erzählt hatte. Der hatte erstmals Einsteins Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie gelöst – und war dabei auf Schwarze Löcher gestoßen. Sie erzählt auch, warum sich Schwarzschild mit der zugrunde liegenden Mathematik auskannte, bevor er im Zuge des Ersten Weltkriegs verstarb. Ein Hörer berichtet von einem ähnlichen Schicksal des Chemikers Henry Moseley. Mehrere Hörerinnen und Hörer stellen Fragen zu Ereignishorizont, Singularität und zur bekannten Gummituch-Analogie. Es geht darum, dass der Ereignishorizont keine physikalische Singularität darstellt – und warum diese im Gravitationsgesetz von Isaac Newton faktisch noch nicht vorkam.

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  46:16

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• Raumzeit-Riss: Wie Karl Schwarzschild auf Schwarze Löcher stieß

  Im November 1915 hält Albert Einstein vier Vorträge an der Preußischen Akademie der Wissenschaften in Berlin. In diesen Vorträgen stellt er seinem Publikum die Allgemeine Relativitätstheorie vor, an der er jahrelang getüftelt hatte. Mit dieser Theorie kann Einstein beschreiben, wie Materie, Raum und Zeit wechselwirken. Dabei schafft er kurzerhand eine Kraft unseres Universums ab: die Schwerkraft. Bei Isaac Newton war alles alles noch viel einfacher gewesen: Laut dem Briten ist die Schwerkraft, wie der Name schon sagt, eine Kraft. Diese wirkt zum Beispiel zwischen zwei Massen anziehend. Mit den Newtonschen Gravitationsgesetzen ließ sich zunächst wunderbar erklären, warum ein Apfel vom Baum fällt oder warum die Erde um die Sonne kreist. Doch mit der Allgemeinen Relativitätstheorie bereitet Einstein der Schwerkraft nun ein Ende: Laut ihm handelt es sich dabei lediglich um einen Effekt der gekrümmten Raumzeit. Frei nach dem Physiker John Wheeler übersetzt könnte man die Allgemeine Relativitätstheorie so zusammenfassen: Die Materie sagt der Raumzeit, wie sich zu krümmen hat, und die gekrümmte Raumzeit sagt der Materie, wie sich zu bewegen hat. Ein Apfel fällt also nicht deshalb vom Baum, weil er die Effekte der Schwerkraft verspürt, sondern weil er dem kürzesten Weg in der gekrümmten Raumzeit folgt. Doch war die Allgemeine Relativitätstheorie im Jahr 1915 nicht nur konzeptionell ungeheuerlich, sondern auch mathematisch: Ihre Gleichungen sind so kompliziert, dass Einstein selbst zunächst davon überzeugt ist, dass es unmöglich sei, exakte Lösungen für sie zu finden. Wie praktisch, dass sich bei einem seiner Vorträge ein Mensch befand, dem genau das nur wenig später gelingen sollte – und das, während der als Soldat im Ersten Weltkrieg an der Front stationiert war. Karl Schwarzschild war Physiker und Astronom. Außerdem beherrschte er praktischerweise genau jene mathematischen Fähigkeiten, die benötigt wurden, um eine exakte Lösung für die Einstein’schen Feldgleichungen zu finden. Diese Gleichungen brachten jedoch einen seltsamen Aspekt zu Tage, der zeigte: Es könnte so etwas wie Schwarze Löcher geben.

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  1:07:58

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