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Neues Buch – Einsteins Relativitätstheorie ganz ohne Mathematik

Der Herausgeber Klaus-Dieter Sedlacek stellt seine neue Buchveröffentlichung über ‘Spezielle und allgemeine Relativitätstheorie’ vor. Es geht unter Anderem auch um das Relativitätsprinzip, krumme Lichtstrahlen und kosmologische Folgerungen. Neues Buch — Einsteins Relativitätstheorie ganz ohne Mathematik weiterlesen

Die Rätsel des Universums

München (ots) – Unser Wissen über das Universum ist enorm – doch viele Fragen sind noch unbeantwortet. Wie groß ist das Universum, woher kommen die Kometen und was hält die Galaxien zusammen – diesen und weiteren Rätseln des Universums geht das Weltraum-Magazin SPACE  nach.

Wie groß unser Universum ist – diese Frage ist nur teilweise gelöst. Seit dem Urknall konnte es sich “nur” 13,8 Milliarden Jahre lang ausdehnen. Das von weiter weg gelegenen Objekten abgestrahlte Licht hat uns einfach noch nicht erreicht. Das heißt also, das für uns von der Erde aus beobachtbare Universum ist eine kugelförmige Blase mit einem Radius von 13,8 Milliarden Lichtjahren. Wie weit es sich darüber hinaus ausdehnt, ist heiß umstritten.

Ebenfalls nur teilweise geklärt ist die Herkunft der Kometen. Ihren Ursprung erklären sich die Wissenschaftler mit Hilfe der sog. Oortschen Wolke, einer riesigen, das Sonnensystem in einer Entfernung von 20.000 Astronomischen Einheiten (1 AE entspricht etwa 149,6 Mio. km) umgebenden Wolke. Diese bildete sich wahrscheinlich, als die gerade entstandenen Planeten sonnennahe Kometen weiter “hinausbeförderten”. Und obwohl sie für uns (noch) nicht sichtbar ist, gilt diese Oortsche Wolke als Ursprung aller unserem Sonnensystem zugehörigen Kometen.

Ungelöst ist nach wie vor die Frage, was Galaxien zusammenhält. An die Gesetze der Physik halten sich manche von ihnen nicht, denn sie rotieren so schnell, dass die Gravitationswirkung ihrer sichtbaren Bestandteile nicht ausreicht, sie zusammenzuhalten. Sie müssten zerreißen, tun es aber nicht. Hier vermuten Wissenschaftler, dass eine mit modernen Instrumenten nicht messbare Materie für den Zusammenhalt der Galaxien verantwortlich sein muss – die sog. “Dunkle Materie”. Diese interagiert nicht mit der elektromagnetischen Wechselwirkung, das erschwert es, sie aufzuspüren. Die Lösung dieses Rätsels wäre eine der größten wissenschaftlichen Entdeckungen.

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Massenaussterben: Die Ursachen der größten Katastrophen

Im Laufe der Evolution sind in den letzten 500 Millionen Jahren immer wieder Tier- und Pflanzenarten in großer Zahl ausgestorben. Kann bereits das Aussterben weniger oder einzelner Arten zu Kettenreaktionen mit solchen verheerenden Folgen führen? Göttinger Forscher am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und der ETH Zürich haben eine mathematische Theorie entwickelt, das unter Verwendung von Fossiliendaten eine Antwort geben kann. Die Theorie zeigt, dass Kettenreaktionen bei der unterschiedlichen Entwicklung der Artenvielfalt im Meer und an Land eine Rolle gespielt haben können. Sie kann dabei helfen, heutige und zukünftige Artensterben zu verstehen.

Bei den fünf größten Massenaussterben in der Erdgeschichte starben jeweils mehr als drei Viertel aller Arten aus, doch danach erholte sich die Artenvielfalt immer wieder. Als Ursachen werden Katastrophen von globaler Größenordnung vermutet, wie z.B. große Meteoriteneinschläge oder Vulkanausbrüche. Aber zum Glück führte nicht jede Naturkatastrophe im Laufe der Erdgeschichte zu einem Massenaussterben, und umgekehrt werden auch diese nicht nur durch globale Naturkatastrophen hervorgerufen.

Das mathematische Modell der Wissenschaftler geht davon aus, dass Arten entweder auf Grund von geänderten Umweltbedingungen aussterben oder durch das Aussterben bestimmter anderer Arten, die für sie unentbehrlich sind. Wenn sich beispielsweise das Klima erwärmt oder abkühlt oder wenn sich die durchschnittliche Niederschlagsmenge oder die Bodenbeschaffenheit ändert, sind dadurch Tiere und Pflanzen bedroht, die sich nicht schnell genug anpassen können oder keinen neuen Lebensraum finden. Wenn dadurch plötzlich einige wichtige Arten fehlen, können andere ebenfalls aussterben, die von ihnen abhängig waren: Das kann geschehen, wenn eine Tierart seine bevorzugte Beute oder Futterpflanze verliert, oder wenn einer Pflanze plötzlich das Insekt fehlt, das sie bestäubt oder der Vogel, der ihre Samen verbreitet.

„Wenn es viele Arten gibt, die von wenigen Arten abhängig sind, ist das Ökosystem instabil. Wenn dann wichtige „Schlüsselarten“ durch veränderte Umweltbedingungen aussterben, kann das eine Kettenreaktion auslösen und zu einem Massenaussterben vieler Arten führen“, erklärt Frank Stollmeier vom Göttinger Max-Planck-Institut. Wenn es dagegen wenige Arten gibt, die von vielen verschiedenen Arten abhängig sind, ist das Ökosystem stabil; veränderte Umweltbedingungen könnten dann zwar viele einzelne Arten auslöschen, aber nicht innerhalb einer großen Kettenreaktion.

 Artenvielfalt im Meer und an Land

Damit kann das Modell auch erklären, warum sich die Artenvielfalt im Meer in den letzten 600 Millionen Jahren anders entwickelt hat als auf dem Land: Nachdem die ersten größeren Lebensformen im Meer entstanden waren, stieg die Artenvielfalt dort zunächst stark an und erreichte vor etwa 450 Millionen Jahren einen Wert, den sie für lange Zeit nicht mehr überschritt. Erst vor etwa 200 Millionen Jahren stieg die Anzahl der Meeresarten nach einem Massenaussterben wieder stark an. An Land dagegen begann der erste Anstieg der Artenvielfalt erst viel später, vor etwa 450 Millionen Jahren. Seitdem ist die kontinentale Artenvielfalt rasant gewachsen und hat die Vielfalt im Meer sogar übertroffen.

Eine zentrale Rolle bei dieser unterschiedlichen Entwicklung spielt in dem Modell das Verhältnis zwischen der Wahrscheinlichkeit, dass eine Art durch Umwelteinflüsse ausstirbt, und der Wahrscheinlichkeit, dass eine neue Art entsteht. Dieses Verhältnis sollte laut dem Modell im Meer höher sein. Eine Analyse von Fossilien-Datenbanken hat in der Tat ergeben, dass Arten im Meer tatsächlich eher aussterben als an Land. Ein Grund dafür könnte sein, dass es im Meer weniger verschiedene Lebensräume gibt als an Land: „Wenn im Meer eine neue Art entsteht, die nicht ideal an Umwelt angepasst ist, hat sie kaum eine Chance, einen neuen Lebensraum zu finden, in dem sie überleben könnte. An Land ist das eher möglich, da es dort sehr viele unterschiedliche Lebensräume gibt“, erklärt Jan Nagler, der die Studie leitete und jetzt an der ETH Zürich arbeitet. Wenn nun die Aussterbewahrscheinlichkeit deutlich kleiner ist als die Wahrscheinlichkeit, dass neue Arten entstehen, bleibt das Ökosystem stabil und die Artenvielfalt wächst schnell. Im umgekehrten Fall wächst die Artenvielfalt langsamer und das Ökosystem wird häufiger instabil.

Dies erklärt, warum die Artenvielfalt im Meer über so lange Zeit stagnierte. Wahrscheinlich war das Ökosystem dort über eine lange Zeit instabil: Es hatten sich zu viele Arten entwickelt, die von wenigen Schlüsselarten abhängig waren, so dass schon das Aussterben von einigen Arten zu einer fatalen Kettenreaktion führte. Somit wurde die Flora und Fauna anfällig für Massenaussterben, die das Wachstum verhinderten. Erst als das Ökosystem einen stabilen Zustand erreicht hatte, in dem weniger Arten von vielen abhingen, konnte die Vielfalt weiter ansteigen.

Das mathematische Modell wurde zwar entwickelt, um die Entwicklung der Artenvielfalt in der Vergangenheit zu erklären, doch es kann auch dazu beitragen, das heutige oder zukünftige Artensterben besser zu verstehen. Es gibt Anzeichen dafür, dass ein neues Massenaussterben begonnen hat, für das der Mensch wahrscheinlich maßgeblich mit verantwortlich ist. Schon 20 bis 40 Prozent der heute bekannten Arten gelten als vom Aussterben bedroht. Leider weiß man empirisch nur wenig darüber, wie sie voneinander abhängen und welche Folgen das Aussterben einer bestimmten Art auf andere hat. Das mathematische Modell ist daher sehr nützlich, um die Prinzipien des Artensterbens zu verstehen, die auch in der aktuellen Situation wirksam sind. (Quelle: idw)

Woher wissen wir etwas über den Beginn des Universums?

Hat das Universum als heißer Urknall begonnen oder taut es aus einem extrem kalten und fast statischen Zustand langsam auf? Prof. Dr. Christof Wetterich, Physiker an der Universität Heidelberg, hat einen theoretischen Ansatz entwickelt, der das seit fast 100 Jahren gängige Standardmodell der kosmischen Expansion durch ein alternatives Bild ergänzt. Die Urexplosion hat danach nicht vor 13,8 Milliarden Jahren stattgefunden – der „Beginn des Universums“ dehnt sich vielmehr über einen unendlich langen Zeitraum in der Vergangenheit aus. Dabei nimmt die Masse aller Teilchen stetig zu. Statt zu expandieren, schrumpft das Universum über ausgedehnte Zeitabschnitte, wie der Heidelberger Wissenschaftler erläutert.

Den „Beginn des Universums“ beschreiben Kosmologen zumeist als Urknall. Je näher man zeitlich an den Urknall heranrückt, desto stärker krümmt sich die Geometrie von Raum und Zeit. Physiker nennen dies eine Singularität – der Begriff bezeichnet Gegebenheiten, deren physikalische Gesetze nicht definiert sind. Im Fall des Urknalls wird die Krümmung der Raumzeit unendlich groß. Kurz nach dem Urknall war das Universum extrem heiß und dicht. Aber auch ein anderes „Bild“ ist nach den Worten von Prof. Wetterich möglich: Wenn die Massen aller Elementarteilchen mit der Zeit wachsen und die Gravitationskraft schwächer wird, so könnte das Universum auch extrem kalt und langsam begonnen haben. Danach hat das Universum immer schon bestanden, und der früheste Zustand war fast statisch. Die Urexplosion dehnt sich über einen unendlich langen Zeitraum in der Vergangenheit aus. Der Wissenschaftler vom Institut für Theoretische Physik geht davon aus, dass sich die ersten heute indirekt beobachtbaren „Ereignisse“ vor 50 Billionen Jahren zugetragen haben – und nicht im Milliardstel eines Milliardstels einer Milliardstel Sekunde nach dem Urknall. „Eine Singularität gibt es in diesem neuen Bild des Kosmos nicht mehr“, so Prof. Wetterich.

Die Hypothese von Prof. Wetterich beruht auf einem Modell, das die Dunkle Energie und das frühe „inflationäre Universum“ durch ein einziges zeitlich veränderliches Skalarfeld erklärt. Danach wachsen alle Massen mit dem Wert dieses Feldes. „Dies erinnert an das kürzlich in Genf entdeckte Higgs-Boson. Dieses Elementarteilchen hat die Physiker in der Vorstellung bestätigt, dass Teilchenmassen von Feldwerten abhängen und damit veränderlich sind“, erläutert der Heidelberger Wissenschaftler. In Wetterichs Ansatz sind alle Massen proportional zum Wert des sogenannten Kosmonfelds, der im Laufe der kosmologischen Evolution zunimmt. „Natürliche Konsequenz dieses Modells ist das Bild eines Universums, das sich sehr langsam aus einem extrem kalten Zustand entwickelt und dabei über lange Zeitabschnitte schrumpft anstatt zu expandieren“, so Prof. Wetterich.

Das bisherige Bild des Urknalls wird damit allerdings nicht „ungültig“, wie Prof. Wetterich sagt. „Physiker sind es gewohnt, beobachtete Tatsachen in verschiedenen Bildern zu beschreiben.“ So kann Licht sowohl durch Teilchen als auch als Welle dargestellt werden. Wie der Heidelberger Wissenschaftler erläutert, lässt sich sein Modell äquivalent im Bild des Urknalls beschreiben. „Dies ist sehr nützlich für viele praktische Vorhersagen zu den Konsequenzen, die sich aus diesem neuen theoretischen Ansatz ergeben. Stellt man allerdings die Frage nach dem ,Beginn‘ des Universums, so scheint die Beschreibung ohne Singularität eine Reihe von Vorteilen zu bieten“, betont Prof. Wetterich. „Und für das oft geäußerte Unbehagen, dass es doch auch vor dem Urknall etwas gegeben haben muss, gibt es in der neuen Beschreibung keine Grundlage mehr.“

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Warum Mai-Geborene Glückspilze sind

Hamburg (ots) – Der Geburtsmonat eines Menschen hat nachweislich Einfluss auf seine Entwicklung, Gesundheit, Charakter und Beruf, berichtet die Zeitschrift P.M. MAGAZIN in ihrer Februar-Ausgabe. Eine große Rolle spielen dabei die äußeren Einflüsse, denen ein Kind zum Zeitpunkt der Geburt und in den Monaten zuvor im Mutterleib ausgesetzt ist.

Ausgewählte Merkmale für jeden Geburtsmonat:
– Januar: höheres Risiko für Schizophrenie, Epilepsie und Alzheimer; tendenziell Frühaufsteher
– Februar: höheres Risiko für Essstörungen und Pollenallergien
– März: überdurchschnittlich früh einsetzende Wechseljahre bei Frauen; höheres Risiko für Alkoholismus und Kindheit-Diabetes
– April: höhere Kinderzahl und Körpergröße bei Männern; tendenziell geringerer Intelligenzquotient
– Mai: überdurchschnittlich viele Selbstmorde; erhöhtes Multiple-Sklerose-Risiko; eher Nachtmenschen
– Juni: geringes Geburtsgewicht; viele Nobelpreisträger
– Juli: häufiger starke Kurzsichtigkeit; geringere Kinderzahl bei Frauen
– August: erhöhtes Risiko für Hausstauballergien; tendenziell Nachtmenschen
– September: höheres Risiko für Asthma, geringeres Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen
– Oktober: höheres Risiko für Hunde- und Katzenallergie; überdurchschnittlich späte Menopause bei Frauen
– November: geringes Risiko für Autoimmunerkrankungen wie Multiple Sklerose; hohe durchschnittliche Lebenserwartung (gut neun Monate mehr als bei Mai-Geborenen)
– Dezember: höheres Risiko für Morbus Crohn; besonders viele Kinder bei Frauen

Ein wichtiger Einflussfaktor ist die Menge Vitamin D im Blut des Neugeborenen. Vitamin D wird mithilfe von Sonnenstrahlen in der Haut gebildet und spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Immunsystems und des Gehirns. Forscher der Universität Oxford haben herausgefunden, dass im Mai geborene Kinder 20 Prozent weniger Vitamin D in ihrem Nabelschnurblut aufweisen als Kinder, die im November geboren wurden und deren Mütter in sonnenstarken Monaten schwanger waren. Dieser Mangel könnte erklären, so die Forscher, weshalb Mai-Babys ein um 13 Prozent höheres Multiple-Sklerose-Risiko tragen als November-Kinder.

Frappierende Unterschiede zeigten Untersuchungen zur Lebenserwartung. Das Universitätsklinikum Greifswald hat in einer Mammutstudie die Daten von über sechs Millionen registrierten Sterbefällen zwischen 1992 und 2007 in Deutschland ausgewertet. Das Ergebnis: Die im November geborenen Menschen leben im Schnitt am längsten, Mai-Kinder am kürzesten. Der Lebenswerwartungs-Unterschied zwischen den November- und Mai-Geborenen beträgt bei Frauen 9,6 Monate, bei Männern 9,4 Monate.

Auch bei Allergien lassen sich Unterschiede je nach Geburtsmonat feststellen. Kinder, die im Februar oder März geboren werden, sind in den ersten Lebensmonaten besonders vielen Gräser- und Birkenpollen ausgesetzt – und werden auch häufiger auf genau diese allergisch reagieren. Wohingegen Kinder, die zwischen August und Oktober geboren werden, überdurchschnittlich oft an Hausstauballergie leiden – sie kommen wenige Monate vor Wintereinbruch zur Welt und verbringen dann die Zeit vorwiegend drinnen.

Am Ende zählt aber auch, wie zufrieden wir mit unserem Leben sind. Bei dieser Frage geben sich die Herbstkinder überraschend verhalten. In einer Umfrage des schwedischen Psychiaters Jayanti Chotai und des britischen Psychologen Richard Wiseman mit fast 30.000 Teilnehmern waren ausgerechnet die November-Geborenen am wenigsten der Ansicht, Glück im Leben zu haben. Die Mai-Kinder sahen sich als die größten Glückspilze.

Wie ein expandierendes Universum erzeugt werden kann

Wenn man Raum und Zeit erhitzt, kann ein expandierendes Universum entstehen – ganz ohne Urknall. Diesen Phasenübergang zwischen einem leeren Raum und einem expandierenden Universum, das Masse enthält, konnte ein Forschungsteam nun berechnen. Dahinter liegt ein bemerkenswerter Zusammenhang zwischen Quantenfeldtheorie und Einsteins Relativitätstheorie.

Kochen mit Raum und Zeit

Aus dem Alltag kennen wir Phasenübergänge nur von Stoffen, die zwischen festem, flüssigem und gasförmigem Zustand wechseln. Allerdings können auch Raum und Zeit selbst solche Übergänge durchmachen, wie die Physiker Steven Hawking und Don Page schon 1983 zeigten. Sie berechneten, dass aus leerem Raum bei einer bestimmten Temperatur plötzlich ein Schwarzes Loch werden kann.

Lässt sich bei einem ähnlichen Prozess aber auch ein ganzes Universum erzeugen, das sich kontinuierlich ausdehnt, so wie unseres? Diese Frage stellte sich Daniel Grumiller vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien gemeinsam mit Kollegen aus Harvard, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Universität Edinburgh. Das Ergebnis: Tatsächlich scheint es eine kritische Temperatur zu geben, bei der aus einem völlig leeren, flachen Raum ein expandierendes Universum mit Masse wird. „Die leere Raumzeit beginnt gewissermaßen zu kochen, es bilden sich Blasen, eine von ihnen expandiert und nimmt schließlich die gesamte Raumzeit ein“, erklärt Daniel Grumiller.

 Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit - zumindest am Papier. Foto: TU Wien
Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit – zumindest am Papier. Foto: TU Wien

Das Universum muss dabei rotieren – das Kochrezept für ein expandierendes Universum lautet also: Erhitzen und umrühren. Diese Rotation kann allerdings beliebig gering sein. Bei den Berechnungen wurden vorerst nur zwei Raumdimensionen berücksichtigt. „Es gibt aber nichts, was dagegen spricht, dass es in drei Raumdimensionen genauso ist“, meint Grumiller.

Das Phasenübergangs-Modell ist nicht als Konkurrenz zur Urknalltheorie gedacht. „In der Kosmologie weiß man heute sehr viel über das frühe Universum – das zweifeln wir nicht an”, sagt Grumiller. “Aber für uns ist die Frage entscheidend, welche Phasenübergänge in Raum und Zeit möglich sind und wie die mathematische Struktur der Raumzeit beschrieben werden kann“.

Auf der Suche nach der Struktur des Universums

Die Theorie ist die logische Fortsetzung  einer 1997 aufgestellten Vermutung, der sogenannten „AdS-CFT-Korrespondenz“, die seither die Forschung an den fundamentalen Fragen der Physik stark beeinflusst hat: Sie beschreibt einen merkwürdigen Zusammenhang zwischen Gravitationstheorien und Quantenfeldthorien – zwei Bereiche, die auf den ersten Blick gar nichts miteinander zu tun haben. In bestimmten Grenzfällen lassen sich Aussagen der Quantenfeldtheorie in Aussagen von Gravitationstheorien überführen und umgekehrt.  Zwei ganz unterschiedliche physikalische Gebiete werden so in Verbindung gebracht, aber es mangelte bisher an konkreten Modellen, die diesen Zusammenhang belegten.

Letztes Jahr wurde von Daniel Grumiller und Kollegen erstmals so ein Modell aufgestellt (der Einfachheit halber in bloß zwei Raumdimensionen). Das führte schließlich zur aktuellen Fragestellung: Dass es in den Quantenfeldtheorien einen Phasenübergang gibt, wusste man. Doch das bedeutete, dass es aus Konsistenzgründen auch auf der Gravitatations-Seite einen Phasenübergang geben muss.

„Das war zunächst ein Rätsel für uns“, sagt Daniel Grumiller. „Das würde einen Phasenübergang zwischen einer leeren Raumzeit und einem expandierenden Universum bedeuten, und das erschien uns zunächst äußerst unwahrscheinlich.“ Die Rechenergebnisse zeigten dann aber, dass genau diesen Übergang tatsächlich gibt. “Wir beginnen erst, diese Zusammenhänge zu verstehen“, meint Daniel Grumiller. Welche Erkenntnisse über unser eigenes Universum wir dadurch ableiten können, ist heute noch gar nicht absehbar. (Quelle: idw)

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Bedrohung aus dem All: Komet ISON kommt uns nahe

München (ots) – Einst bombardierten Kometen unser Sonnensystem, brachten vermutlich Wasser und Leben auf die Erde und hinterließen bis heute sichtbare Krater. Würde heute ein Komet der Größe von Shoemaker-Levy 9, der 1994 auf Jupiter einschlug, auf die Erde treffen, gäbe es sie nicht mehr. Das schreibt das Weltraum-Magazin SPACE in seiner Ausgabe 1/2014.

Großes Bombardement – so nennt die Wissenschaft den Kometensturm, der vor vier Milliarden Jahren die Planeten und Monde unseres Sonnensystems traf und bis heute sichtbare Krater hinterließ. Wie viele Kometen am Rande unseres Sonnensystems – im Kuipergürtel und in der sogenannten Oortschen Wolke – herumfliegen und jederzeit der Erde gefährlich werden können, lässt sich nicht sagen. Gelegentlich verlässt ein Komet diesen Bereich und fliegt durch das Sonnensystem; das kann man von der Erde aus beobachten. Wenn die Theorie von der Oortschen Wolke stimmt, besteht durchaus Gefahr: “Wenn da 100 Millionen Kometen in der hypothetischen Ooortschen Wolke in einem Lichtjahr Entfernung herumkreisen und es dort zu einer Störung kommt, dann könnte es wirklich zu einem erneuten Großen Bombardement kommen”, meint Astronomie-Experte Nick Howes.

Die Folgen eines solchen Kometensturms auf unser Sonnensystem wären verheerend. Glücklicherweise lenken die Großplaneten wie Jupiter viele der anfliegenden Objekte auf sich, etwa den Kometen Shoemaker-Levy 9, der im Juli 1994 in Trümmer von bis zu zwei Kilometern Durchmesser zerbarst und auf dem Jupiter aufschlug. Würde ein ähnliches Ereignis die Erde treffen, wären die Folgen apokalyptisch. “Solch ein Komet könnte in 100 Millionen Jahren kommen oder nächste Woche. Wir wissen es nicht”, so Nick Howes.

Aktuell ist Komet Ison in Sichtweite gerückt: Seit Ende November 2013 ist er der Sonne besonders nah. Wissenschaftler vermuten, dass er unterwegs in Fragmente zerbersten könnte. Viele gehen davon aus, dass sein Schweif bis Januar hell leuchten und für auch für Hobby-Astronomen am Nachthimmel sichtbar sein wird.

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Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Gigantische Versuchsanordnung im arktischen Eis findet Geisterteilchen

Neutrino-Jagd im ewigen Eis: Das Bild zeigt einen von 5.160 hochempfindlichen Lichtsensoren, die am Südpol installiert wurden.  (c) Foto: IceCube Collaboration/NSF
Neutrino-Jagd im ewigen Eis: Das Bild zeigt einen von 5.160 hochempfindlichen Lichtsensoren, die am Südpol installiert wurden.
(c) Foto: IceCube Collaboration/NSF

Darauf hat die IceCube-Kollaboration seit Jahren hingearbeitet. Nun deutet alles darauf hin, dass den Forschern im antarktischen Eis Neutrinos von außerhalb unseres Sonnensystems ins Netz gegangen sind. Unter den gefundenen Ereignissen befinden sich Neutrinos mit Energien, die tausendmal höher sind, als man sie auf der Erde selbst erzeugen kann. Diese kosmischen Neutrinos können einzigartige Informationen über den Aufbau von Supernovas, Gamma-Ray-Blitze oder Schwarzen Löchern liefern.

Das Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol ist weltweit einmalig. In einem Kubikkilometer Eis sind insgesamt 5.160 hochempfindliche Lichtsensoren installiert. Wenn doch mal ein Neutrino im Eis wechselwirkt, entstehen geladene Teilchen die mit nahezu Lichtgeschwindigkeiten weiterfliegen. Diese erzeugen ein schwaches bläuliches Licht, das von den Detektoren aufgefangen wird.

„Wir sehen hochenergetische Neutrinos, von denen wir jetzt mit ziemlicher Sicherheit sagen können, dass sie astrophysikalischen Ursprungs sind“, sagt Prof. Dr. Marek Kowalski vom Physikalischen Institut der Universität Bonn. Neutrinos sind ganz besondere Teilchen: Sie können anders als elektromagnetische Strahlung sämtliche Materie durchdringen. Mit ihrer Hilfe lässt sich wie mit einem Röntgenapparat in die verstecktesten Winkel des Universums blicken. Allerdings wechselwirken diese Teilchen kaum und könnten selbst von einer Bleiabschirmung mit 1000 Kilometer Dicke nicht aufgehalten werden. Ihr Nachweis ist deshalb besonders schwierig. Mit der gigantischen Messeinrichtung „IceCube“ in der Antarktis sind nun dennoch zum ersten Mal Hinweise für hochenergetische Neutrinos aus dem Weltall gefunden worden.

Die meisten Neutrinos auf der Erde entstehen bei niedrigen Energien durch Kernfusion in der Sonne, sie können sich aber auch in der Erdatmosphäre bilden. Die Forscher des IceCube Projektes interessieren sich aber besonders für hochenergetische Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen – zum Beispiel von Supernovas, Gamma-Ray-Blitzen oder galaktischen Schwarzen Löchern. Denn Neutrinos sind die einzigen Teilchen, die aus dem Inneren dieser Quellen entkommen können und damit einzigartige Informationen über ihren Aufbau liefern.

Morgendämmerung für ein neues Zeitalter der Astronomie

Gelungen ist der Nachweis der Neutrinos einem internationalen Team von rund 250 Wissenschaftlern und Ingenieuren der IceCube-Kollaboration unter Beteiligung der Astroteilchen-Gruppe von Prof. Kowalski. Mit der gigantischen Versuchsanordnung im antarktischen Eis wurden in den vergangenen zwei Jahren insgesamt 28 Neutrinos mit Energien größer als 30 Tera-Elektronenvolt (TeV), darunter zwei Ereignisse mit über 1000 TeV registriert. Dieser Fund war für die Forscher so bedeutsam, dass die Teilchen sogar eigene Namen bekamen: Ernie & Bert – den beiden beliebten Figuren aus der Fernsehserie „Sesamstraße“.

Mit der verbesserten Analyse der Daten, die nun auch die Richtung der Neutrinos liefert, konnten nicht nur diese beiden, sondern ein Großteil dieser Teilchen als potentielle kosmische Fernreisende identifiziert werden. „Das ist der erste Hinweis auf hochenergetische Neutrinos, die von außerhalb unseres Sonnensystems kommen“, sagt Prof. Dr. Francis Halzen, Projektleiter des IceCube-Experiments von der Universität Wisconsin-Madison (USA). „Dies ist die Morgendämmerung für ein neues Zeitalter der Astronomie.“

Ein Rätsel bleiben jedoch noch die Quellen, aus denen die Neutrinos im Weltraum stammen. Eine Möglichkeit sind Supernovas, bei denen die hochenergetischen Teilchen freigesetzt werden. Das Bild, das sich aus dem IceCube-Experiment abzeichnet, stellt sich für die Wissenschaftler noch verschwommen dar. „Wir können die kosmischen Quellen der Teilchen noch nicht nachweisen, weil wir bislang nicht exakt genug bestimmen konnten, aus welcher Richtung die Neutrinos aus dem Weltall in das Eis eindringen“, erklärt Prof. Kowalski. Die Forscher hoffen darauf, demnächst noch mehr Teilchen nachzuweisen, damit sich die Quellen allmählich schärfer abzeichnen.

Publikation: Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector, Science, DOI: 10.1126/science.1242856

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Künstliche Fotosynthese: Lösung aller Energieprobleme?

Heidelberg. Die Sonne ist eine unerschöpfliche und zudem saubere Energiequelle. Fotovoltaikanlagen und Solarthermiekraftwerke zapfen sie bereits an und gewinnen aus Sonnenlicht Strom. Der ist jedoch nur sehr begrenzt speicherbar und muss sofort verbraucht werden. Sein Transport über weite Strecken ist zudem mit großen Verlusten verbunden. Nur über den Umweg der Wasserelektrolyse lässt sich elektrischer Strom in den breiter einsetzbaren Energieträger Wasserstoff umwandeln, was aber sehr ineffektiv ist.

Eine wesentlich elegantere Lösung macht uns die Natur seit jeher vor: die Fotosynthese. Dabei erzeugen Pflanzen, Algen und gewisse Bakterien mit Hilfe von Sonnenlicht aus Kohlendioxid und Wasser direkt energiereiche Zuckermoleküle. Schon seit einiger Zeit versuchen Forscher deshalb, den Vorgang künstlich nachzuahmen. Dabei geht es ihnen vor allem um den ersten Schritt der Fotosynthese: die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.

Die bisher erzielten Erfolge sind beachtlich. So präsentierte Daniel Nocera vom Massachussetts Institute of Technology vor zwei Jahren ein “künstliches Blatt”. Es besteht aus einer Solarzelle, in der auftreffendes Sonnenlicht freie Elektronen und “Löcher” (Elektronenfehlstellen) erzeugt. Die dem Licht zugewandte Seite ist mit einem cobalthaltigen Katalysator beschichtet, der mit Hilfe der Löcher aus Wasser Sauerstoff freisetzt. Die zurückbleibenden Protonen wandern zur anderen Seite und werden dort von einer Legierung aus Nickel, Molybdän und Zink mit Hilfe der Elektronen zu Wasserstoff reduziert. Der Wirkungsgrad liegt mit 2,5 bis 4,7 Prozent – je nach genauer Konfiguration – schon recht hoch. Pflanzen verwerten das auftreffende Sonnenlicht sogar nur zu 0,3 Prozent.

Allerdings ist dieses “Blatt” wegen der enthaltenen Metalle noch ziemlich teuer und auch nicht lange beständig. Markus Antonietti vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm hat sich deshalb auf ein anderes Material verlegt, das nicht nur sehr stabil, sondern auch einfach und preiswert herstellbar ist: graphitisches Kohlenstoffnitrid. Schon Justus Liebig kannte die Substanz im 19. Jahrhundert. Sie ist entfernt mit dem Chlorophyll des Blattgrüns verwandt und ähnelt stark dem Graphen – einer maschendrahtartigen Anordnung von Kohlenstoffatomen, der viele eine große Zukunft in der Elektronik vorhersagen.

Kohlenstoffnitrid als solches ist allerdings nicht sehr aktiv, was unter anderem an seinem zu geringen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen liegt. Wie Antonietti in Spektrum der Wissenschaft berichtet, konnte seine Gruppe aber bereits eine Steigerung um das Zehnfache erreichen, indem sie gezielt die Porosität des Materials erhöhte.

Eine weitere Verbesserung ließ sich durch Dotieren mit Schwefel oder Barbitursäure erreichen. Auf diese Weise konnten die Forscher die Quantenausbeute der Oxidation von Wasser zu Protonen und Sauerstoff für violette Strahlung einer Wellenlänge von 440 Nanometern immerhin auf 5,7 Prozent steigern. Hilfreich war auch die Zugabe von Nanoteilchen aus Cobaltoxid. Dadurch erhöhte sich die Quantenausbeute für die Wasserspaltung insgesamt auf 1,1 Prozent.

Alles in allem sehen die bisherigen Ergebnisse also ermutigend aus. Zwar veranschlagt Antonietti bis zur praktischen Einsatzreife seines Systems noch mindestens 20 Jahre. Doch die Aussichten wären verlockend. Wenn sich mit künstlichen Fotosynthesesystemen 10 Prozent der Solarenergie nutzen ließen, müssten sie nur 0,16 Prozent der Erdoberfläche bedecken, um den für 2030 vorausgesagten globalen Energiebedarf von 20 Terawattstunden zu decken. Als Standorte kämen dabei in erster Linie Wüsten in Frage, wo die Sonne fast immer scheint und keine Konkurrenz zu Agrarnutzflächen besteht. Ein Zehntel der Sahara, die 1,76 Prozent der Erdoberfläche einnimmt, würde bereits genügen.

Wie heutige Solarzellen ließen sich künstliche Fotosynthesesysteme aber auch auf Dächern installieren. Bei einer Lichtausbeute von 10 Prozent könnten sie beispielsweise 300 Tonnen Methanol pro Hektar und Jahr liefern. “Wären nur 100 Quadratmeter des eigenen Grundstücks damit bedeckt, bräuchte selbst ein leidenschaftlicher Autofahrer bei heutigem Treibstoffverbrauch nie mehr zur Tankstelle”, erklärt Antonietti.  (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, September 2013)

Das Geheimnis des Jungbrunnens



Warum altern wir? Wann sterben wir und wieso? Gibt es ein Leben ohne Altern? Schon seit Jahrhunderten faszinieren diese Fragen die Wissenschaft. So kommt es doch hin und wieder vor, dass in wunderbarer Weise das biblische Alter sehr weit überschritten wird.

An der Spitze der Langlebigen in der geschichtlichen Zeit marschiert der Engländer Thomas Carn. Laut Ausweis eines kirchlichen Urkundenbuchs in London wurde er dort am 28. Januar 1588 geboren, während er derselben Urkunde zufolge erst im Jahre 1795 gestorben ist. Er hätte mithin ein Lebensalter von 207 Jahren erreicht. Ein Mann, dem ein solches Alter beschieden wäre und der im Jahr 1916 siebzig Jahre alt wäre, würde erst im Jahre 2053 sterben. Was könnte dieser Mann, der die Technik fast aus ihren Uranfängen sich hat entwickeln sehen, noch alles erleben!

Unter den Schotten, die nicht arm an Langlebigen sind, nimmt eine besondere Stelle St. Mungo, der Stifter des altehrwürdigen Bistums Glasgow ein, der 185 Jahre alt geworden sein soll. Ein gleiches Alter erreichte ein Mann namens Peter Zorsay, der von 1539 bis 1724 gelebt hat. Ein englischer Bauer namens Thomas Parr erreichte ein Lebensalter von 152 Jahren und besaß einen Sohn von 127 Jahren. Mit 101 Jahren wurde Parr noch wegen Sittlichkeitsvergehen zu Gefängnis verurteilt, und im Alter von 120 Jahren verehelichte er sich mit einer Witwe, die nach ihrer Angabe nie etwas von seinem hohen Alter gemerkt hat.

H. Jenkins, der 1670 in Yorkshire die Augen schloss, erreichte eine Lebensdauer von 169 Jahren. Kurz vor seinem Tode musste er vor Gericht einen Vorgang bekunden, der vor 140 Jahren geschehen war. Der Chirurg Politman, ein Lothringer von Geburt, konnte in voller Frische seinen 140. Geburtstag feiern. Am Tage vor seinem Tod nahm er bei seiner Frau noch eine schwere Krebsoperation vor. Dabei wird von ihm erzählt, dass er von seinem fünfundzwanzigsten Jahr an Tag für Tag betrunken gewesen sei. Einen ebenso ungesunden Lebenswandel führte auch der Chirurg Espagao in der Garonne, der dafür nur 112 Jahre leben durfte.

Auf eine ähnlich gute Wirkung anhaltenden Biergenusses weist die Inschrift auf einem Grabstein in Schottland hin: »Unter diesem Stein liegt Brown, der durch die Macht von schwerem Bier sein Leben auf 120 Jahre gebracht hat. Er war immer betrunken und in diesem Zustand so fürchterlich, dass selbst dem Tod vor ihm grauste. Als er eines Tags ausnahmsweise nüchtern war, fasste der Tod Mut, ergriff ihn und triumphierte über diesen beispiellosen Trunkenbold.«

Auch Elisabeth Durieux, die das stattliche Alter von 140 Jahren erreichte, lebte durchaus nicht gesundheitsgemäß. Sagt man ihr doch einen täglichen Kaffeekonsum von etwa vierzig Tassen nach.

Ein englischer Bauer hinterließ, als er im Alter von 160 Jahren starb, eine Witwe mit zahlreichen Kindern, von denen das älteste 103, das jüngste 9 Jahre zählte.

Wenn auch im Allgemeinen dem Leben des Menschen ein recht kurzes Ziel gesetzt ist, so kommt es doch hin und wieder vor, dass in wunderbarer Weise das biblische Alter sehr weit überschritten wird.

An der Spitze der Langlebigen in der geschichtlichen Zeit marschiert der Engländer Thomas Carn. Laut Ausweis eines kirchlichen Urkundenbuchs in London wurde er dort am 28. Januar 1588 geboren, während er derselben Urkunde zufolge erst im Jahre 1795 gestorben ist. Er hätte mithin ein Lebensalter von 207 Jahren erreicht. Ein Mann, dem ein solches Alter beschieden wäre und der zur jetzigen Zeit (1916) 70 Jahre alt wäre, würde erst im Jahre 2053 sterben. Was könnte dieser Mann, der die Technik fast aus ihren Uranfängen sich hat entwickeln sehen, noch alles erleben!

Unter den Schotten, die nicht arm an Langlebigen sind, nimmt eine besondere Stelle St. Mungo, der Stifter des altehrwürdigen Bistums Glasgow ein, der 185 Jahre alt geworden sein soll. Ein gleiches Alter erreichte ein Mann namens Peter Zorsay, der von 1539 bis 1724 gelebt hat. Ein englischer Bauer namens Thomas Parr erreichte ein Lebensalter von 152 Jahren und besaß einen Sohn von 127 Jahren. Mit 101 Jahren wurde Parr noch wegen Sittlichkeitsvergehen zu Gefängnis verurteilt, und im Alter von 120 Jahren verehelichte er sich mit einer Witwe, die nach ihrer Angabe nie etwas von seinem hohen Alter gemerkt hat.

H. Jenkins, der 1670 in Yorkshire die Augen schloss, erreichte eine Lebensdauer von 169 Jahren. Kurz vor seinem Tode musste er vor Gericht einen Vorgang bekunden, der vor 140 Jahren geschehen war. Der Chirurg Politman, ein Lothringer von Geburt, konnte in voller Frische seinen 140. Geburtstag feiern. Am Tage vor seinem Tod nahm er bei seiner Frau noch eine schwere Krebsoperation vor. Dabei wird von ihm erzählt, dass er von seinem fünfundzwanzigsten Jahr an Tag für Tag betrunken gewesen sei. Einen ebenso ungesunden Lebenswandel führte auch der Chirurg Espagao in der Garonne, der dafür nur 112 Jahre leben durfte.

Auf eine ähnlich gute Wirkung anhaltenden Biergenusses weist die Inschrift auf einem Grabstein in Schottland hin: »Unter diesem Stein liegt Brown, der durch die Macht von schwerem Bier sein Leben auf 120 Jahre gebracht hat. Er war immer betrunken und in diesem Zustand so fürchterlich, dass selbst dem Tod vor ihm grauste. Als er eines Tags ausnahmsweise nüchtern war, fasste der Tod Mut, ergriff ihn und triumphierte über diesen beispiellosen Trunkenbold.«

Auch Elisabeth Durieux, die das stattliche Alter von 140 Jahren erreichte, lebte durchaus nicht gesundheitsgemäß. Sagt man ihr doch einen täglichen Kaffeekonsum von etwa vierzig Tassen nach.

Ein englischer Bauer hinterließ, als er im Alter von 160 Jahren starb, eine Witwe mit zahlreichen Kindern, von denen das älteste 103, das jüngste 9 Jahre zählte.

In der jüngsten Vergangenheit haben Wissenschaftler neue Erkenntnisse über den Prozess des Alterns gewonnen. Forscher aus Ulm und Cincinnatti haben einen Weg gefunden, adulte Stammzellen des blutbildenden Systems zu verjüngen, so dass diese ihre Aufgaben im Körper wieder genauso gut erfüllen können wie junge Zellen. Ihre Erkenntnisse zeigen in bisher einmaliger Form, dass bestimmte Alterungsprozesse in diesen Zellen rückgängig gemacht werden können und geben Hinweise darauf, dass dies auch für andere Zellen gelten könnte. Langfristig könnten ihre Forschungen helfen, altersbedingten Erkrankungen wie Blutarmut oder verminderte Immunabwehr besser zu begegnen. Die Forschungsergebnisse erschienen am 03.05.2012 im renommierten Fachjournal Cell Stem Cell (doi: CELL-STEM-CELL-D-11-00519R2, Geiger).

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