Wetterlage am 12. August 2010 05:oo UTC: Die Karte zeigt die Temperatur bei 850 hPa (entsprechend ca. 1,5km Höhe), die Höhenströmung (Isohypsen) bei 500hPa (ca. 5,5-6km Höhe und die Druckverteilung am Boden auf Meereshöhe bezogen (Isobaren). Quelle: MeteoGroup

Auf der Rückseite des Troges führt eine nordwestliche Strömung kühle und feuchte Meeresluft heran, auf der Vorderseite des Troges bzw. der Rückseite des Hochkeils gelangt aus Südwesten  (sub)tropische Warmluft nach Osteuropa. Im Trog sorgen Tiefdruckwirbel immer wieder für zum Teil heftige Niederschläge und z.T. auch für Gewitter. Schon in den vergangenen Tagen brachte der Starkregen Überflutungen in Tschechien, Österreich und Sachsen. Neben millardenschweren Sachschäden waren auch einige Todesopfer zu beklagen. Im Einflußbereich des Hochkeils hält die extreme Hitzewelle und Trockenheit unterdessen an.

Wetterlage am 12. August 2010 06:00 UTC im Satellitenbild (Natural Color RGB).Tiefdruckwirbel in einem Trog über West- und Mitteleuropa. Östlich davon ein nahezu wolkenfreier Hochkeil. Das Bild des europäischen Wettersatelliten MeteoSat ist in den drei Wellenlängenbereichen rot, grün und blau aufgenommen (Natural Color RGB). Vegetation erscheint grün, da das Chlorophyll der Pflanzen grün deutlich besser reflektiert als rot und blau. Wolken aus kleinen Wassertröpfchen reflektieren alle Wellenlängen und sind daher hellweiß. Eiswolken erscheinen jedoch cyanblau, weil Eis rotes Licht stark absorbiert und so diese Farbe übrigbleibt. Der unbewachsene Boden ist braun, denn rotes Licht wird besser reflektiert als blaues. Die Ozeane absorbieren alle Wellenlängen und erscheinen daher beinahe schwarz. Quelle: EUMETSAT

Immer wieder ausbrechende, großflächige Torf- und Waldbrände verpesten die Luft. Die Folgen sind katastrophal. Viele Menschen, vor allem Alte, Kranke und kleine Kinder leiden unter Kreislaufstörungen und Atembeschwerden. Allein in Moskau sterben zurzeit pro Tag fast doppelt so viel Menschen wie sonst. Anstatt 360-380 wie an einem normalen Tag, sind es jetzt über 700!

Rauchschwaden nehmen den Einwohnern Moskaus den Atem und die Sicht. Quelle: AP

Auch Pakistan und China erleben derzeit Wetterkatastrophen. In Pakistan sorgte ein ungewöhnlich heftiger Monsunregen für Überschwemmungen bei denen über 1500 Menschen zu Tode kamen und wahrscheinlich hundertausende obdachlos wurden. In China kam es nach Starkregen zu Erdrutschen. Einige hundert Menschen starben.

Überschwemmungen nach extremem Monsunregen in Pakistan. Quelle Reuters

Die augenblickliche Häufung von extremen Wetterlagen ist schon auffällig, war aber auch in den letzten Jahren schon zu beobachten.

Hitzewellen einerseits, Starkregen andererseits, so hatten es die Klimamodelle schon lange als Folge der globalen Erwärmung vorhergesagt und so scheint es nun auch einzutreffen.

Der vermehrte Starkregen läßt sich leicht erklären: Die ansteigenden Temperaturen erhöhen die Wasserverdunstung – auch im Mittelmeer – und damit die Luftfeuchtigkeit. Dadurch kondensieren bei der Wolkenbildung mehr Wassertröpfchen aus, so daß entsprechend mehr Kondensationswärme frei wird. Diese zusätzliche Wärme verleiht der Luft in der Wolke mehr Auftrieb, was wiederum die Wolkenbildung und die Bildung von Regentropfen enorm verstärkt. Auch die Wassermenge, die insgesamt ausregnen kann, ist bei höherer Luftfeuchtigkeit natürlich größer. Das alles begünstigt heftige Unwetter mit Starkregen, so wie wir sie jetzt wieder erleben.

Der Trend zu blockierenden Wetterlagen im Sommer könnte vielleicht mit der überproportionalen Erwärmung der Arktis zusammenhängen, die eine Folge der globalen Erwärmung ist. Dadurch verringert sich das in dieser Jahreszeit sowieso schon relativ schwach ausgeprägte Temperaturgefälles an der Polarfront weiter. Die Höhenströmung wird dann derart langsam, daß sich blockierende Wetterlagen mit einer meridionalen Zirkulation besonders leicht einstellen können. Hitzesommer verbunden mit langanhaltender Trockenheit werden dadurch wahrscheinlicher. Die überproportionale Erwärmung der Arktis hat vor allem mit der sogenannten Eis-Albedo-Rückkopplung zu tun:  Wenn das stark  reflektierende Meereises schmilzt, wird die Sonnenstrahlung durch die dann freiliegende dunkle Wasseroberfläche verstärkt absorbiert. Eine anfangs nur geringe Erwärmung wird so positiv verstärkt.

Einen anderen Mechanismus schlägt der britische Meteorologe Julian Hunt am University College London vor: Durch die zunehmende Erwärmung, insbesondere auch der Meere verstärkt sich durch intensivierte konvektive Prozesse die vertikale auf Kosten der horizontalen Luftzirkulation. Dadurch wird die Höhenströmung ausgebremst, was dann wiederum eine meridionale Luftzirkulation begünstigt. Hunt konnte diesen Mechanismus mit einem Modell erfolgreich demonstrieren.

Im Zusammenhang mit dem Extremwetter in Rußland, Pakistan, und China und Sachsen bleibt ein mulmiges Gefühl. Auch wenn einelne Wettergeschehnisse die globale Erwärmung nicht „beweisen“, so erscheint doch ein Zusammenhang zumindest plausibel. Genau werden wir es erst in einigen Jahrzehnten wissen, wenn dieser Sommer in eine korrekte Wetterstatistik eingegangen ist, die allein einen Klimawandel wissenschaftlich bestätigen kann.

Doch schon heute ist das Vorsorgeprinzip zu beachten. Sinnvoll erscheinen die Förderung und Umsetzung technischer Innovationen auf dem Energiesektor (Somnne, Wind, Kernspaltung, Kernfusion statt fossiler Brennstoffe)

Mit fossilen Brennstoffen als Hauptenergiequelle erscheint eine langfristige positive Zukunftsperspektive für die Menschheit unmöglich. Man stellen Sie einmal vor, einen Sommer mit einer Hitzewelle wie in Rußland und Überschwemmungen wie in Pakistan würde auch nur annähernd zum Regelfall!

Jens Christian Heuer

An der Primarschule sollten alle Kinder bis zur 6. Klasse gemeinsam lernen (eingliedriges Schulsystem). Erst dann sollte sich entscheiden, wer eine weiterführende Schule bis zum Abitur besuchen kann und wer nicht (mehrgliedriges Schulsystem). Das wäre eine grundlegende Veränderung des in Deutschland üblichen dreigliedrigen Schulsystems aus Gymnasium, Realschule und Hauptschule gewesen, daß die Kinder schon nach der 4.Klasse auseinandersortiert (schulische Selektion nach Leistung). Andere Teile der Reform werden aber umgesetzt. So wird es neben den Gymnasien keine Realschulen und Hauptschulen mehr geben, sondern nur noch sogenannte Stadtteilschulen, in denen aber auch ein Abitur gemacht werden kann! Außerdem werden mehr Lehrer eingestellt, wenn auch nicht so viele wie bei der 6-jährigen Primarschule vorgesehen.

Die Befürworter der Reform, angeführt von der grünen Schulsenatorin Christa Goetsch (GAL), argumentierten, eine längere Grundschulzeit würde „schwachen“ Schülern aus benachteiligten Familien helfen und so die Chancengleichheit verbessern. Die Gegner sorgten sich vor allem um die „guten“ Schüler. Deren Lernerfolg könnte unter zuviel Rücksichtnahme auf „schwächere“ Schüler leiden.

Christa Goetsch (GAL), Schulsenatorin in Hamburg. Quelle: Wikipedia 

In vielen Kommentaren, so z.B. auf SPIEGEL ONLINE, wurde immer wieder hervorgehoben, daß es sich bei dem Hamburger Streit um die Schulreform um eine Art „Glaubenskrieg“ gehandelt habe, denn es gäbe keine Beweise, welches Schulsystem das Bessere sei. Doch das stimmt so nicht, denn schon im Jahre 2006 wurde in einer Studie genau überprüft, welche Auswirkungen ein längeres gemeinsames Lernen auf den Schulerfolg hat.

Die Bildungsökonomen Ludger Wößmann vom IFO-Institut (www.cesifo.de/) und Eric A. Hanushek von der Stanford University (www.hanushek.net/) verglichen Lernerfolg und faire Bildungschancen (unabhängig von der familiären Herkunft, also Bildung und Einkommen der Eltern) bei  Schulsystemen verschiedener Länder. Dabei zeigte sich, daß nicht so sehr die zur Verfügung stehenden Geldmittel und die Klassengröße auschlaggebend waren, sondern vor allem die Zeit des gemeinsamen Lernens. Je später die Schüler auseinandersortiert wurden, also entsprechend ihres aktuelle erreichten Leistungsniveaus auf  verschiedene Schulformen verteilt wurden, umso besser! Das zeigt sehr schön die folgende Grafik:

Streuung der Schülerleistungen am Ende der allen Ländern gemeinsamen Grundschulzeit (IGLU) im Vergleich zur Oberstufe (PISA 2003), jeweils relativ zum Mittelwert aller Länder. Die Steigung der Geraden ist ein Maß für die Veränderungen der Ungleichheit in den schulischen Leistungen innerhalb des jeweiligen Landes. Die gelb dargestellten Länder haben bis zum PISA-Alter eingliedrige Schulsysteme, wo die Schüler gemeisam lernen; die schwarz dargestellten Länder haben dagegen Schulsysteme, die im PISA-Alter bereits mehrgliedrig sind. Besonders extrem sind die Verhältnisse in Deutschland, dessen Schulsystem die Schüler bereits nach der 4.Klasse aufteilt. Quelle: Hanushek,Wößmann 2006

In allen untersuchten Ländern werden die Schüler in den ersten 4 Jahren gemeinsam unterrichtet. Erst danach werden in einigen Ländern die Schüler auseinandersortiert, in anderen aber noch lange nicht. In vielen Ländern lernt man bis zur 10 Klasse gemeinsam, wo die Schüler im Durchschnitt bereits 16 Jahre alt sind.

Die Grafik vergleicht die Ungleichheiten der schulischen Leistungen nach 4 Jahren (Grundschule) und nach 10 Jahren (vor Beginn der Oberstufe, die zum Abitur führt). Damit werden konkrete Aussagen über die Auswirkungen eines kürzeren oder längeren gemeinsamen Lernens möglich.

Die schulischen Leistungen wurden anhand der Ergebnisse in internationalen Tests (IGLU, PISA) ermittelt, welche die Lesefähigkeiten der Schüler überprüften.

Auf der linken Seite der Grafik ist die Ungleichheit der Leistungsergebnisse im IGLU-Test nach der allen untersuchten Ländern gemeinsamen Grundschulzeit von 4 Jahren eingetragen, auf der der rechten Seite die Ungleichheit der Leistungsergebnisse im PISA-Test nach 10 Schuljahren. Maß für die Ungleichheit der Leistungsergebnisse innerhalb eines Landes ist die Standardabweichung der Testergebnisse. Die Standardabweichung beschreibt die durchschnittliche Abweichung der Einzelwerte vom Mittelwert. 

Die Veränderung der Ungleichheit in den schulischen Leistungsergebnissen (Leistungsstreuung) wird durch die Steigung der Geraden wiedergegeben, welche die beiden als Punkte eingezeichneten Standardabweichungen eines jeden Landes verbindet. Länder, die ihre Schüler früh auseinandersortieren sind gelb, Länder die ihren Schülern ein längeres gemeinsames Lernen ermöglichen dagegen schwarz dargestellt.

Schon auf den ersten Blick fällt auf, daß nahezu alle dunklen Geraden nach oben zeigen, so gut wie alle gelben jedoch nach unten. Das heißt: In Ländern, die ihre Schüler schon frühzeitig in verschiedene Schulformen einsortieren, nimmt die Ungleichheit über die Jahre (fast) immer weiter zu, in Ländern, die ihre Schüler länger gemeinsam lernen lassen, nimmt sie dagegen (fast) immer weiter ab.

Besonders auffällig sind die Verhältnisse in Deutschland, dessen dreigliedriges Schulsystem eine anfangs nur geringe Ungleichheit der schulischen Leistungen mehr als verdreifacht. Es ist also ganz offensichtlich, das deutsche Schulsystem fördert die Ungleichheit der schulischen Leistungen und verfehlt damit das Ziel der Chancengleichheit unabhängig von der familiären Herkunft.

Wie groß die Abhängigkeit des schulischen Erfolges von der sozialen Herkunft in Deutschland wirklich ist, zeigt ein weiterer internationale Vergleich:

Schulische Selektion und sozialökonomischer Status. Quelle: Schütz, West, Wößmann (2007).

In Ländern, wo die Schüler mindestens bis zum 15. Lebensjahr gemeinsam lernen können ist der durchschnittliche Leistungsunterschied – untersucht wurden mathematische und naturwissenschaftliche Fähigkeiten – zwischen Schülern aus Familien mit hohem sozialen Status (oberste 25%) und niedrigem sozialen Status (unterste 25%) bei weitem nicht so ausgeprägt (57,6 zu 21,7 etwa 5:2), wie in Deutschland (und wenigen anderen Ländern), wo die Schüler schon mit 10 Jahren nach dem 4. Schuljahr getrennt werden (59,4 zu 0,0 etwa 60:0). Die Leistung von Schülern aus Familien mit hohem sozialen Status ist bei beiden Schulsystemen nahezu dieselbe.

Der familiäre Hintergrund der Schüler wurde anhand der Zahl der Bücher im Elternhaus ermittelt, ein guter und durch Befragung zuverlässig zu ermittlender Indikator für Einkommen und Bildungsstand der Eltern.

Der immer wieder vorgebrachte Einwand, daß längeres gemeinsames Lernen mit „schlechteren“ Schülern den „besseren“ Schülern schade, ist mit dieser Untersuchung, die sich auf immerhin rund 180.000 Schüler in 27 Ländern stützte, weitestgehend entkräftet. Was übrig bleibt ist die Tatsache, daß langes gemeinsames Lernen den Schülern mit ungünstigerem familiären Hintergrund eindeutig weiterhilft,  sogar mehr als alle anderen Maßnahmen wie mehr Lehrer und kleinere Klassen. 

Eine spätere Aufteilung hilft Schülern übrigens nicht nur beim Lernen, sondern macht sie auch friedfertiger. Das konnten US-amerikanische Wissenschaftler in einer Studie aus dem Jahre 2007 direkt beweisen, in der es um Regelverstöße von Schülern und verschiedne Schulsysteme im US-Bundesstaat North Carolina ging. Schüler die in der 6. Klasse noch die gemeinsame Grundschule besuchten, waren nur halb so oft gewalttätig wie Schüler, die zu diesem Zeitpunkt schon auf eine andere Schule gewechselt hatten. Bei Drogendelikten war das Verhältnis mit 1:5 sogar noch günstiger. Die günstige Wirkung eines späteren Schulwechsels konnte  bis zur 9.Klasse nachgewiesen werden. Bis dahin zumindest wurde der Lebensweg der Schüler  bisher verfolgt.

Die Wissenschaftler erklären die Friedfertigkeit der späten Schulwechsler damit, daß sie nicht so wie die frühen Schulwechslern in einer sensiblen Lebensphase auf ältere Mitschüler treffen, die sie oft drangsalieren und/oder als negatives Vorbild wirken.

Fazit: Es ist schon erstaunlich, was alleine die Verlängerung der Zeit des gemeinsamen Lernens bewirken kann. An diesem Beispiel wird deutlich, daß die Unterschiede in der Bildung und damit auch im sozialen Status und Einkommen in letzter Instanz nicht durch ein Naturgesetz vorgegeben sind, sondern zu einem erheblichen, ja überwiegenden Teil gesellschaftlich gemacht!

Anhang: Gaußkurve und Standardabweichung

Die Gaußkurve (Glockenkurve) beschreibt die am häufigsten vorkommende Wahrscheinlichkeitsverteilung von Werten bzw. Ereignissen. Die Standardabweichung ist ein Maß für die Streuung um den Mittelwert der Kurve.

Zwei statistische Normalverteilungen mit gleichen Mittelwert, aber unterschiedlichen Standardabweichungen. Quelle: Wikipedia

Bei  der statistischen Normalverteilung liegen 68,2% aller Werte innerhalb einer Standardabweichung. Innerhalb der doppelten Standardabweichung sind es dann schon 95,4%.

Gaußkurve mit ein-, zwei- und dreifacher Standardabweichung. Quelle: Wikipedia

Die gesamte Fläche unter der Kurve steht für 100%, also die Gesamtheit aller Werte 100%, entsprechend der Wahrscheinlichkeit 1.

Jens Christian Heuer

Quellen: „Does Educational Tracking Affect Performance and Inequality? Differences-in-Differences Evidence across Countries“, Economic Journal 116 von Ludger Wößmann und Eric A. Hanushek;  „School Accountability, Autonomy, Choice and the Equity of Student Achievement: International Evidence from PISA 2003″ von Ludger Wößmann, G. Schütz, M.R. West; „Should Sixth Grade be in Elementary or Middle School? An Analysis of Grade Configuration and Student Behavior“ von Philip J. Cook, Robert MacCoun, Clara Muschkin, Jacob Vigdor

Arktische Meereisausdehnung vom 1.März bis 1. Juli 2010 Quelle: NSIDC

Die arktische Meereisausdehnung im Jahre 2007 war so gering gewesen, daß die Experten bisher von einem statistischen Ausreißer nach unten infolge besonderer Wetterbedingungen ausgingen, denn die in der Arktis infolge der Eis-Albedo-Rückkopplung überproportional ansteigenden Temperaturen reichten als alleinige Erklärung einfach nicht aus. (Zur näheren Erklärung: Beim Abschmelzen des Meereises der Arktis kommt die darunter liegende, wesentlich dunklere Wasseroberfläche mit einem deutlich geringeren Reflektionsvermögen (Albedo) zum Vorschein. Die Sonnenstrahlung wird nun in wesentlich größerem Umfang absorbiert. Wasser und daüberliegende Luftschichten erwärmen sich deutlich mehr als zuvor. Es liegt eine sich selbst verstärkende positive Rückkopplung vor. Je mehr Eis geschmolzen ist, umso stärker die Erwärmung, wodurch noch mehr Eis schmilzt usw.usf.)

Mit den besonderen Wetterbedingungen, die hinzu kamen, ist eine Anomalie in der Luftzirkulation über der Nordhalbkugel gemeint: Über Kanada etablierte sich im Sommer 2007 für längere Zeit ein Hoch und über Sibirien gleichzeitig ein beständiges Tief. Beide Druckgebilde lenkten von Süden sehr viel warme Luft in die Arktis, wodurch die Temperaturen stark anstiegen. Das Hoch sorgte außerdem für einen Wind, der das Meereis aus der Arktis nach Süden trieb.

Der Beaufort Meereswirbel im westlichen Arktischen Ozean wird durch ein beständiges polares Kältehoch angetrieben. Neugebildetes oder vom Wirbel eingefangenes Meereis kann hier mehrere Jashre zirkulieren und so eine beträchtliche Dicke erreichen. Eis in der Transpolardift des östlichen Arktischen Ozeans verläßt die Arktis dagegen binnen ein oder zwei Jahren. Im Falle einer  beständigen sommerlichen Zirkulationsanomalie mit einem Hoch über dem nordkanadischen Archipel und Tiefs über Sibirien, gelangt vermehrt warme Luft in die Arktis (rote Pfeile), und  der Abtransport des Meereises mit der Transpolardrift wird verstärkt (blauer Pfeil). Quelle: AMAP (verändert)

Im Jahre 2008 nahm die arktische Meereisausdehnung nur unwesentlich zu, und auch die Zirkulationsanomalie war wieder da. Auch 2009 gab es kaum Veränderungen. Dazu ein wichtiger Hinweis: Normalerweise folgt auf ein Jahr mit geringer eines mit deutlich höherer Eisbedeckung, denn der offene nicht mehr vom Eis isolierte Ozean kühlt im Winter besonders schnell aus. Umso bemerkenswerter die tatsächliche Entwicklung!

Es gibt übrigens noch einen weiteren Mechanismus, der den Abschmelzprozeß des arktischen Meereises beschleunigt. Infolge der verstärkten Eisschmelze in den letzten jahren hat der Anteil des mehrjährigen, stabilen  Meereises gegenüber dem jungen, einjährigen,wesentlich schmelzanfälligeren Meereises immer weiter abgenommen. Der Grund: Das einjährige ist wesentlich dunkler als das mehrjährige Meereis, weil es durch zahlreiche kleine offene Wasserflächen unterbrochen ist. Wasser hat eine deutlich niedrigere Albedo als Eis (oder gar Schnee) und absorbiert daher mehr Sonnenlicht.

Die folgende Grafik zeigt den längerfristigen Trend beim arktischen Meereis noch einmal sehr schön im Überblick, wobei hier nicht die Eisausdehnung, sondern das Eisvolumen dargestellt wird. Das ist noch aussagekräftiger, da der Abschmelzprozeß des arktischen Meereises ja nicht nur die Eisfläche, sondern ganz besonders auch die Eisdicke betrifft.

Anomalien der arktischen Meereisvolumina von 1980-2010. Quelle: NSIDC 

Es könnte durchaus sein, daß das Klimasystem in der Arktis schon einen Kipp-Punkt erreicht hat, wo selbstverstärkende Prozesse zum unaufhaltsamen und entgültigen Verlust des Meereises führen. Käme es dazu, so würde sich die globale Erwärmung wiederum beschleunigen, denn der Erde würde einer ihrer beiden größten reflektierenden Eisschilde fehlen, die Albedo  des Planeten also merklich abnehmen.

Auch das augenblickliche, schon länger anhaltende Aktivitätsminimum der Sonne hat es bisher nicht vermocht die arktische Meereisschmelze zu stoppen oder wenigstens zu verlangsamen. Im Gegenteil, vieles spricht sogar für eine Beschleunigung!

Der zusätzliche, menschengemachte Treibhauseffekt erweist sich hier, im Bündnis vereint mit positiven Rückkopplungseffekten, als unerwartet zäher Widersacher der schwachen Sonne.

Jens Christian Heuer 

Quellen: NSIDC, AMAP

Hintergrund der Kontroverse, welche auch den wirtschaftspolitischen Teil der diesjährigen G20-Beratungen bestimmte, sind Deutschlands seit Jahren anhaltend hohe Exportüberschüsse. Diese kommen hauptsächlich durch die gegenüber den wichtigsten europäischen Handelspartnern deutlich zurückbleibenden  Lohnstückkosten in Deutschland zustande; eine wichtige Rolle spielt aber auch die anerkannt gute Qualität deutscher Waren und Dienstleistungen. Die Lohnstückkosten entsprechen dem Quotienten aus der jährlichen gesamtwirtschaftlichen Lohnsumme  (Arbeitnehmerentgeld) und dem Bruttoinlandsprodukt (BIP), also dem Gesamtwert aller im Inland produzierten Waren und Dienstleistungen innerhalb des Berechnungsjahres.

Die Lohnstückkosten in Deutschland sind von 2000 bis 2008  gegenüber anderen wichtigen Handelsnationen relativ gesunken. Ein erheblicher Einfluß kann aber auch von den jeweiligen Wechselkursen ausgehen, wie z.B. in den USA. Hier sind die Lohnstückkosten auf nationaler Währungsbasis um 0,7% , auf EURO-Basis aber um 6,3%(!) gesunken. Ursache ist der hohe Kursverlust des Dollar ($) gegenüber dem EURO (€). Quelle: http://www.bdi.eu/

Durch die vergleichsweise immer weiter zurückfallenden Lohnstückkosten hat Deutschland auf Kosten anderer Länder deutlich Marktanteile gewonnen und erzielt so regelmäßig einen großen Außenhandelsüberschuß, exportiert also deutlich mehr als es importiert.

Damit Deutschland so hohe Außenhandelsüberschüsse erzielen kann, müssen sich andere Nationen natürlich dementsprechend verschulden. Das kann  auch gar nicht anders sein, denn  jede Handelsnation verdient mit ihren Exporten das Geld für ihre Importe.

Nationen mit Außenhandelsdefiziten (weniger Exporte als Importe)werden also automatisch zu Schuldnern von Nationen mit Außenhandelsüberschüssen (mehr Exporte als Importe).

Deutschland ist Gläubiger in der Europäischen Währungsunion (EWU) und verfügt über entsprechende Auslandsvermögen. Alle übrigen aufgeführten Länder dagegen haben Schulden. Quelle: Wirtschaftsdienst 2010/6

Die Sparmaßnahmen der Bundesregierung verschärfen nun noch die außenwirtschaftlichen Ungleichgewichte zwischen Deutschland und seinen Handelspartnern, denn sie erzeugen erhebliche Nachfrageausfälle im Inland, vermindern dadurch auch die Importe und erhöhen dadurch die deutschen Außenhandelsüberschüsse.

Die Nachfrageausfälle im Inland bremsen die nach dem Höhepunkt der Krise gerade erst wieder langsam einsetzende Dynamik der deutschen Wirtschaft. Das liegt an einem selbstverstärkenden Schneeballeffekt aus geringerer Nachfrage, weniger Investitionen der Unternehmen infolge schlechterer Absatzerwartungen, mehr Arbeitslosigkeit, weniger Einkommen, noch weniger Nachfrage usw.usf. Die Steuereinnahmen gehen zurück und  die Aufwendungen bei den sozialen Sicherungssystemen snehmen zu infolge der  ansteigenden Arbeitslosigkeit.  Am Ende werden so alle Sparanstrengungen zunichte gemacht. Die Staatsschulden steigen wieder, die allgemeine Infrastruktur zerfällt zusehens und wirtschaftlich steht  Deutschland schlechter da als zuvor. Das würde sicher nicht zum Vorteil zukünftiger Generationen gereichen, deren Wohl in der deutschen Politik  ja immer wieder zur Rechtfertigung der Sparmaßnahmen beschworen wird. Ein Abbau der Staatsschulden kann gelingen, aber nur mit einer ausreichenden wirtschaftlichen Dynamik. Daher sollte man in Deutschland dem Wirtschaftswachstum und da besonders dem Binnenmarkt politische Priorität einräumen. Doch man tut, wie geschildert, genau das Gegenteil und setzt (fast) nur auf erhöhte Exporte. Das geht aber nur, indem Deutschland die anderen Handelsnationen niederkonkurriert. Diese müssen dann immer mehr Schulden machen, um immer mehr deutsche Waren und Dienstleistungen trotz zurückgehender Exporte zu importieren.

Innerhalb der EURO-Zone (europäische Währungsunion) sind die Folgen dieser deutschen Außenhandelspolitik besonders gravierend, da  es hier infolge der gemeinsamen Währung keinen ausgleichenden Wechselkursmechanismus mehr gibt. Dieser sorgt normalerweise für eine Abwertung der Landeswährung bei Außenhandelsdefiziten, wodurch exportierte Waren und Dienstleistungen relativ billiger werden, was wiederum die Wettbewerbsfähigkeit verbesssert. Da den betroffenen Ländern der EURO-Zone dieser rettende Ausweg aus Außenhandelsdefizit und Verschuldung versperrt ist, bleibt ihnen nichts anderes übrig als Preise und Löhne auf breiter Front zu senken, um so konkurrenzfähiger zu werden. Dadurch geraten ihre Volkswirtschaften aber in eine Abwärtsspirale mit Deflation und hoher Arbeitslosigkeit. 

Sollte es der deutschen Bundesregierung gelingen ein rigoroses Sparprogramm zum Abbau der Staatsschulden durchzusetzen, und sollte sie weiterhin versuchen, durch höhere Außenhandelsüberschüsse aus der Wirtschaftskrise herauszukommen, so wären die übrigen Mitglieder der  EURO-Zone ganz besonders betroffen. Irgendwann aber werden es die anderen Handelsnationen nicht mehr hinnehmen, daß Deutschland auf diese Weise seine Arbeitslosigkeit „exportiert“. Dann droht ein neuer Protektionismus und damit ein Ende des freien Welthandels, der allen beteiligten Nationen so viel Wohlstand bringt und darüber hinaus der Völkerverständigung dient. Das würde nicht nur die Volkswirtschaften in Deutschland und Europa, sondern der gesamten Weltwirtschaft enorm schaden.

George Soros fasste am 23. Juni 2010 die Kritik an der deutschen Wirtschaftspolitik in einer Rede an der Humboldt Universität in Berlin   so zusammen:

Die von Deutschland der EURO-Zone aufgezwungene Sparpolitik gefährdet die Währungsunion und führt direkt in eine Deflation. Diese Politik steht damit „im direkten Widerspruch zu den Lehren aus der Großen Depression der 1930er Jahre.“ Deutschland und Europa droht eine langanhaltende wirtschaftliche Stagnation oder gar Schlimmeres. 

George Soros (Foto Alex Wong/Getty Images) Quelle: http://www.zimbio.com/

Soziale Unruhen und ein zunehmender Nationalismus könnten dann sogar die Demokratie in Europa gefährden, fürchtet Soros. Deshalb empfielt er Deutschland, die Wärungsunion notfalls einfach zu verlassen und wieder zur DM zurückzukehren. Die übriggebliebenen Länder der Währungsunion bekämen so die Möglichkeit den EURO abzuwerten, damit ihre Außenhandelsdefizite abzubauen und so letztendlich wieder aus den wirtschaftlichen Tal herauszukommen. Deutschland hingegen werde ganz allein mit einer stark aufgewerteten DM in eine deflationäre Abwärtsspirale geraten. Soros schließt seine Rede zum Schluß aber versöhnlich, indem er ausdrücklich feststellt: ”Natürlich ist dies rein hypothetisch, denn wenn Deutschland aus dem Euroverbund ausschiede, hätte das undenkbare politische Konsequenzen. Doch könnte dieses Gedankenspiel nützlich sein, um zu verhindern, daß das Undenkbare tatsächlich eintritt.”

Die US-amerikanische Kritik (Geithner, Krugman u.a.) galt zunächst auch China, dem vorgeworfen wurde durch die Dollaranbindung des Renminbi-Yuan seine Währung unterzubewerten und auf diese Weise seiner Exportindustrie ungerechtfertigte Wettbewerbsvorteile zu verschaffen. Inzwischen hat China aber nachgegeben und die Dollaranbindung seiner Währung aufgegeben. China wurde daraufhin ausdrücklich für seine weltwirtschaftlich verantwortungsbewußte Handlungsweise gelobt.

Aber auch schon vorher hat sich China von seiner traditionell rein exportorientierten Wirtschaftspolitik gelöst. Wie die westlichen Demokratien hat auch China gegen die Weltwirtschaftskrise ein umfangreiches Konjunkturprogramm, um den eigenen Binnenmarkt zu stützen und Exporteinbrüche auszugleichen. Das kam natürlich auch der  Weltwirtschaft zugute. China scheint aber auch grundsätzlich mehr für den privaten Konsum tun zu wollen. Für hoch qualifizierte Angestellte gab es schon während der letzten Jahren sehr deutliche Lohnerhöhungen. Inzwischen bemüht sich der Staat aber auch vermehrt um die Arbeiter, die bisher kaum von dem gewaltigen Wirtschaftsaufschwung in China profitierten. Sogar Streiks für höhere Löhne und bessere Arbeitsbedingungen werden jetzt vielerorts schon geduldet (DER SPIEGEL, WiWo).

Jens Christian Heuer

Quellen: www.ftd.de/, http://www.handelsblatt.com/, http://ecfr.eu/, http://krugman.blogs.nytimes.com/, http://www.wiwo.de/ (vgl. Verweise im Text)

Das US-Weltraumteleskop Kepler sucht in einem festen Ausschnitt des Sternenhimmels im Sternbild Schwan (Cygnus) nach Exoplaneten. Quelle: NASA 

Bei einem Planetentransit schiebt sich der Planet auf seiner Umlaufbahn  zwischenzeitlich vor die Sternscheibe und dunkelt sie ein wenig ab. Bei dem Vorübergang eines jupitergroßen Planeten beispielsweise, beobachtet man eine Helligkeitsabnahme von etwa 1/100 (1%), bei einem erdgroßen Planeten sind es lediglich noch 1/10000 (0,1 Promille).  Aus dem Grad der Helligkeitsabnahme läßt sich also unmittelbar die Größe des Exoplaneten herleiten. Der Zeitraum zwischen zwei Vorübergängen ergibt die Umlaufzeit und damit auch der Abstand des Planeten von seinem Heimatstern. Kennt man außerdem auch noch die Leuchtkraft des Heimatsterns, so können auch begründete Vermutungen über die Oberflächentemperatur des Exoplaneten angestellt werden.

Die entscheidende Voraussetzung für die Beobachtung eines Planetentransits bei einem fremden Stern ist allerdings, daß die Bahnebene des Exoplaneten nicht allzusehr gegen die Sichtlinie geneigt ist. Die Wahrscheinlichkeit für die Beobachtung eines Transits von einem in etwa erdgroßen Planeten liegt bei nur 0,005 (0,5%), erhöht sich aber natürlich mit der Anzahl der beobachteten Sterne. Ein einzelner (vermeintlicher)Planetentransit (Vorübergang des Planeten vor der Sternscheibe)muß noch nichts bedeuten, denn die Helligkeitsabnahme eines Sterns kann auch andere Ursachen haben. Beobachtet man aber einen Transit 2 oder gar 3 mal (in  gleichen zeitlichen Abständen) hintereinander , dann handelt es sich um einen echten Planetenkandidaten. Ab mindestens 4 beobachteten Transits gilt die Entdeckung des Exoplaneten als gesichert. 

Im Januar 2010 wurden die ersten fünf Planetenentdeckungen durch das Weltraumteleskop Kepler bekanntgegeben (vgl. Telegramm 9). Dabei handelte es sich jedoch nicht um erdähnliche Planeten, sondern um Planeten, die am ehesten mit Jupiter oder Neptun in unserem Sonnensystem vergleichbar sind. Die Planeten umkreisen ihren jeweiligen Heimatstern auf sehr engen Bahnen, so daß sie extrem hohe Oberflächentemperaturen aufweisen.

Doch inzwischen wurden anscheinend auch deutlich kleinere Planeten entdeckt.

Auf der diesjährigen TEDglobal-Konferenz in Oxford sprach der  zu dem Wissenschaftlerteam von Kepler gehörende Astrophysiker Dimitar Sasselov (Harvard University) über die Entdeckung von insgesamt über 700 neuen Planetenkandidaten, darunter auch mindestens 140 von der Größenordnung der Erde! Die Neuentdeckungen sind aber noch vorläufig und müssen durch  die Beobachtung weiterer Planetentransits abgesichert werden.

Das Video des Vortrages von Dimitar Sasselov. Quelle YouTube

Da deutet sich ein echter Durchbruch bei der Suche nach Exoplaneten an, denn unter allen bisher entdeckten Planeten sind die meisten Gasplaneten wie Jupiter, Saturn oder Neptun. Nur einige wenige sind sogenannte Supererden mit einer Größe zwischen Erde und Neptun. Die jetzt gefundenen Exoplaneten sind anscheinend die erdähnlichsten, die je gefunden wurden, denn alle haben nur eine Größe zwischen 1 und 2  Durchmessern der Erde. Wegen ihrer geringen Größe kann es sich nur um echte Felsplaneten handeln, aber nicht um Gasriesen oder irgendwelche Zwischenformen.

Statistische Größenverteilung der Exoplaneten vor (Juni 2010)   …

… und nach den neuen Entdeckungen (Juli 2010). Von den 700 bisher entdeckten Planeten gelten 270 als nahezu gesichert. Mehr als die Hälfte davon ähnelt zumindest in der Größe der Erde. Quelle: Vortrag Dimitar Sasselov www.ted.com/

Eine offizielle wissenschaftliche Veröffentlichung mit genaueren Informationen soll in Kürze folgen. Als nächstes wird dann überprüft, ob und wenn ja wieviele der Kandidaten sich in der habitablen Zone ihres Heimatsternes bewegen, also in einer Entfernung, bei der lebensfreundliche Oberflächentemperaturen herrschen könnten. 

Die philosophischen Implikationen der Entdeckung auch im engeren Sinne erdähnlicher Planeten wäre mindestens vergleichbar mit denen der kopernikanischen Revolution (heliozentrisches Weltsystem)!

Jens Christian Heuer

Quellen: TED, Kepler Home Page (http://kepler.nasa.gov/), Wikipedia

Erhöhte Meeresspiegel entsprechen warmem Wasser (rot und gelb), erniedrigte Meeresspiegel kaltem Wasser (blau); mittlere Meeresspiegel (grün). Quelle: NASA

In Bereichen warmen Wassers (rot und gelb), den Überbleibseln von El Nino, ist der Meeresspiegel erhöht, in Bereichen kalten Wassers (blau) dagegen erniedrigt. Letztere zeigen den beginnenden La Nina an. Quelle: JPL NASA (http://tinyurl.com/3y4gphq)

El Nino Southern Oscillation (ENSO)

La Nina-Phase: Sehr starke Passatwinde treiben das warme pazifische Oberflächenwasser westwärts, wodurch an den Westküsten Nord- und Südamerikas kaltes, nährstoffreiches Tiefenwasser hervorquillt und der Pazifik in weiten Bereichen kühler wird.

El Nino-Phase: Sinkt der Druckgradient zwischen Subtropenhochs und dem äquatorialen Wärmetief der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) im Westpazifik, so werden die Passate schwächer. Dann strömt das im Westpazifik aufgestaute warme Oberflächenwasser nach Osten zurück, wodurch die Wasseroberfläche des Pazifik großflächig wärmer wird (El Nino). Quelle: http://www.soest.hawaii.edu/MET/Enso/

Ein La Nina hat global gesehen einen abkühlenden Effekt, bei einem El Nino wird es dagegen wärmer.

Jens Christian Heuer

Gas- und Staubscheiben um junge Sterne, das entsprach genau der Vorhersage der gängigen Theorie über die Entstehung von Planeten bei Sternen, und nun hatte man tatsächlich so eine Scheibe gefunden.

Infrarotaufnahme der Gas- und Staubscheibe um Beta Pictoris. Quelle: IRAS-NASA 

Beta Pictoris war damit das erste in der Entstehung begriffene extrasolare Planetensystem, das jemals entdeckt wurde! 

Die  Theorie über die Planetenenstehung, welche in ihren Grundzügen schon durch den Philosophen Immanuel Kant (1724-1804) im 18. Jahrhundert (!) formuliert wurde, geht davon aus, daß  Planeten eine allgemeine Begleiterscheinung  der Sternentstehung sind:

Eine interstellare Wolke aus Gas (99%) und Staub (1%) mit einem Durchmesser von etwa einem Lichtjahr kollabiert unter dem Einfluß ihrer eigenen Schwerkraft und gerät dabei in Rotation. Wegen der Erhaltung des Drehimpulses dreht sich die Wolke immer schneller und flacht infolge der Rotation zu einer Scheibe ab. Das Zentrum verdichtet sich immer weiter bis  Dichte und Temperatur so hoch sind, daß ein Stern entsteht, in dessen Innerem energieliefernde Kernverschmelzungsprozesse starten. Der Hauptdrehimpuls verbleibt in der Gas- und Staubscheibe. Wenn sich diese sogenannte protoplanetare Scheibe langsam abkühlt, kommt es zu Kondensationsvorgängen an den vielen, als Kondensationskerne wirkenden Staubteilchen. Diese werden dadurch immer größer und sammeln sich in der Scheibenebene, sowohl unter dem Einfluß der Schwerkraft als auch wegen der Bremswirkung durch das Gas in der protoplanetaren Scheibe. Dicht gedrängt in der Scheibenebene begegnen sich die Staubteilchen immer häufiger, um aneinander haften zu bleiben. Das Wachstum der Staubteilchen beschleunigt sich dementsprechend, und es bilden sich die ersten Planetesimale mit Durchmessern von bis zu einigen Kilometern.

Planetenentstehung aus einer Gas- und Staubscheibe, der sogenannten protoplanetaren Scheibe.  Quelle: http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/arny/indexnew.mhtml

In Abhängigkeit von der Temperatur der Scheibe, die von innen nach außen abnimmt, kondensieren im inneren, heißen Bereich bis 0,5 AE vorwiegend metallische Teilchen, ab 1 AE Abstand überwiegen dann die Silikate, und bei 3 AE wird schließlich die sogenannte „Schneegrenze“ erreicht, wo dann auch Eisteilchen auskondensieren. 1 Astronomische Einheit (AE) entspricht dabei der Entfernung Erde - Sonne (150 Millionen km). Die Planetesimale sind bald groß genug um weitere Materie anzusammeln. Die Größeren wachsen zu Protoplaneten heran, die Kleineren stoßen aufeinander und zerfallen wieder, oder aber sie werden von den Protoplaneten weggeschleudert und bilden einen äußeren Ring, den Kuiper - Gürtel. Manche stürzen allerdings auch in den zentralen Stern. Da jenseits der „Schneegrenze“ mehr Kondensationsmaterie zur Verfügung steht als weiter innen, entstehen hier dementsprechend größere Planetesimale, welche wiederum auch mehr Material einsammeln können. Diese sehr großen Protoplaneten (bis 10 Erdmassen und mehr) ziehen auch erhebliche Mengen Gas an, wodurch die sogenannten Gasriesen (wie Jupiter und Saturn in unserem Sonnensystem) entstehen. Weiter innen bilden sich kleinere Protoplaneten, die Metalle (vorwiegend Eisen und Nickel) und Gestein (Silikate) einsammeln, aber kein Gas, denn das kann hier wegen der zu hohen Temperaturen nicht auskondensieren. Die noch vorhandenen kleineren Planetesimale bombardieren die felsigen Protoplaneten, die dabei so heiß werden, daß sie aufschmelzen und eine innere Differenzierung stattfinden kann. Eisen und Nickel sinken zur Mitte und bilden den Kern, die leichteren Silikate dagegen den Mantel und die Kruste (erdähnliche Planeten). Ein Teil der dann immer noch übrig gebliebenen Planetesimale bilden einen oder auch mehrere Asteroidengürtel.

Bei Beta Pictoris passt alles zu dieser Theorie. Die protoplanetare Scheibe  hat einen Radius von 400 AE (1 AE=150 Millionen km, mittlerer Abstand Erde-Sonne) und ist im inneren Bereich an mehreren Stellen verbogen. Dort sind die Staubpartikel außerdem kleiner und wärmer als woanders in der Scheibe.

Infrarotaufnahme mit den drei Bereichen (A, B und C), wo die protoplanetare Scheibe von Beta Pictoris verbogen ist. Bei A wurde inzwischen ein großer Planet gefunden. Quelle: http://keckobservatory.org/

Vermutlich gibt es hier Planeten, die mit ihrem Schwerefeld Felsbrocken an sich ziehen. Diese prallen dann vermehrt aufeinander und zerbröseln dabei zu kleinen Staubkörnern, die sich besonders schnell durch die Strahlung des Sterns erwärmen. Ein weiterer Hinweis auf Planeten ist die Entdeckung einer zweiten Scheibe, die gegenüber der Hauptscheibe um 4° geneigt ist. Diese zweite Gas- und Staubscheibe formte sich möglicherweise in der Bahnebene eines großen umlaufenden Planeten.

Zwei Gas- und Staubscheiben um Beta Pictoris. Die zweite Scheibe markiert die Umlaufbahn des inzwischen tatsächlich entdeckten großen Planeten. Quelle: http://hubblesite.org/

Inzwischen konnte tatsächlich einer der vermuteten Planeten um Beta Pictoris gefunden werden und zwar auf recht spektakuläre Weise:

Im Jahre 2003 entdeckte ein  Team französischer Astronomen um Anne-Marie Lagrange mit dem Very Large Telescope VLT (8,2m Spiegeldurchmesser) des European Southern Observatory (ESO) ein schwach leuchtendes Objekt innerhalb der protoplanetaren Gas- und Staubscheibe um Beta Pictoris. Es konnte ein Planet sein, aber vielleicht auch nur ein Hintergrundstern.

Als man im Jahre 2008 und im Frühjahr 2009 erneut die Scheibe um Beta Pictoris fotografierte, war das Objekt aber verschwunden. Doch im Herbst 2009 war es dann plötzlich wieder da und zwar auf der genau gegenüberliegenden Seite der protoplanetaren Scheibe!

Der neuentdeckte Planet in der Gas- und Staubscheibe bei Beta Pictoris im Herbst 2009. Der Stern ist ausgeblendet, da er ansonsten den vergleichsweise lichtschwachen Planeten hoffnungslos überstrahlen würde. Quelle:  http://www.eso.org/

Damit war klar, daß es sich um einen Planeten handelte. Dieser war zunächst im Jahre 2003 neben Beta Pictoris in der Scheibe gut sichtbar gewesen, dann zwischenzeitlich dem Stern so nahe gekommen, daß er überstrahlt wurde -wobei er entweder vor oder hinter dem Stern stand – und dann schließlich im Herbst 2009 genau gegenüber auf der anderen Seite des Sterns in der Scheibe wieder aufgetaucht. Die Beobachtungen erlaubten Rückschlüsse auf die Umlaufbahn dieses Planeten. Dieser umrundet Beta Pictoris einmal in 15-20 Jahren in einer Entfernung, die mit der des Planeten Saturn zu unserer Sonne vergleichbar ist.

Die Positionen des neu entdeckten Planeten bei Beta Pictoris in den Jahren 2003 und 2009. Erstmals wurde ein extrasolarer Planet beim Umrunden seines Sterns direkt beobachtet! Quelle: http://www.eso.org/

Aus der Deformation der Gas- und Staubscheibe läßt sich auch seine Masse abschätzen. Der Planet ist danach etwa 9 mal so schwer wie der größte Planet unseres Sonnensystems, der Gasriese Jupiter (~9 M Jup). Wegen seiner gewaltigen Masse und seiner weiten Entfernung zum Stern, die eindeutig  jenseits der „Scheegrenze“ in der protoplanetaren Scheibe liegt, kann es sich ebenfalls nur um einen Gasriesen handeln. Dieser muß sich in erstaunlich kurzer  Zeit gebildet haben, denn der junge Stern Beta-Pictoris ist erst 12 Millionen Jahre alt. Das ist sehr wenig im Vergleich zu unserer Sonne mit einem Alter von immerhin schon 4,5 Milliarden Jahren. Die Bildung von Gasriesen scheint demnach sehr einfach und dürfte die Regel sein, falls  ausreichend Material in der protoplanetaren Scheibe vorhanden ist.

Zum Schluß noch der Hinweis auf eine Besonderheit des Beta-Pictoris-Systems:

Die protoplanetare Scheibe um Beta Pictoris enthält extrem hohe Mengen an Kohlenstoff. Das könnte bedeuten, daß mögliche Felsplaneten und -monde bei Beta-Pictoris (neben einem Eisen-Nickel-Kern) nicht hauptsächlich aus Silikatgesteinen bestehen wie das in unserem Sonnensystem der Fall ist, sondern hauptsächlich aus Kohlenstoffverbindungen wie Graphit, Carbid und Diamant. In den äußeren kalten Regionen des Planetensystems käme vielleicht noch superhart gefrorenes Wassereis hinzu.

Felsplaneten und -monde aus Kohlenstoff anstatt aus Silikaten im Beta-Pictoris-System? Kohlenstoffplaneten (kleines Bild unten) böten ein vollkommen anderes Erscheinungsbild als Silikatplaneten ähnlich der Erde (kleines Bild oben). Quelle: http://www.nasa.gov/

Die Atmosphären dieser exotischen Planeten würden wahrscheinlich vorwiegend Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Mehan (CH4) und vielleicht auch Stickstoff (N2) enthalten. Sogar einen Flüssigkeitskreislauf mit Seen, Flüssen, Meeren, Wolken und Niederschlägen könnte es geben, möglicherweise aber nicht mit Wasser (H2O), sondern mit flüssigen Kohlenwasserstoffen (CnHn). Das wäre in etwa vergleichbar mit den Verhältnissen auf dem Saturnmond Titan in unserem Sonnensystem.

Jens Christian Heuer

Quellen: ESO, NASA

Im Jahre 1576 veröffentlichte der englische Mathematiker und Astronom Thomas Digges (1546-1595) eine englische Übersetzung und anschließende Diskussion des damals höchst umstrittenen Hauptwerks von Nikolaus Kopernikus (1473-1543) über das heliozentrische Weltsystem.

Digges unterstützte Kopernikus, ging aber in seinen Schlussfolgerungen wesentlich weiter als dieser. Während Kopernikus noch von einer  Fixsternsphäre als äußere Begrenzung des Sonnensystems (und damit auch der gesamten Welt) ausging und insofern noch mit den Vertretern des geozentrischen Modells (mit der Erde im Mittelpunkt) übereinstimmte,  sah Digges die Sterne als ferne Sonnen ähnlich der unsrigen an, verstreut in einem von ihm als unendlich betrachteten Universum.

Karte des Sonnensystems von Thomas Digges (1546-1595). Quelle: Wikimedia

Derartige Ansichten zu vertreten, war damals nicht ganz ungefährlich. Giordano Bruno(1548-1600), ein italienischer Theologe und Philosoph dachte ähnlich wie Digges und vertrat das auch offensiv in aller Öffentlichkeit. Sogar von außerirdischem Leben auf Planeten anderer Sterne sprach er. Die katholische Kirche sah das gar nicht gerne und stellte ihn dafür vor ein Inquisitionstribunal. Das verurteilte ihn wegen Ketzerei und ließ ihn nach jahrelanger Haft und Folterungen in Rom öffentlich auf dem Scheiterhaufen verbrennen.

Immanuel Kant, die Entstehung der Sonnensysteme und die Vielzahl der Welteninseln

Im Jahre 1755 erschien die “Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels“ des deutschen Philosophen Immanuel Kant (1724-1804). Darin behauptete er, unser Sonnensystem sei auf natürliche Weise entstanden, als eines unter vielen. 

Immanuel Kant (1724-1804) Quelle: Wikipedia

Sterne und ihre Planeten bilden sich nach der Theorie von Kant aus Gas- und Staubwolken, die sich unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft zusammenziehen und verdichten.

Dabei beginnen sie zu rotieren, drehen sich wegen der Erhaltung des Drehimpulses immer immer schneller (wie eine sich drehende Eisläuferin, die ihre Arme anzieht) und werden gleichzeitig im Zentrum immer dichter und wärmer bis sich schließlich ein Stern bildet. Infolge der Eigenrotation formt sich um den Stern herum eine langsam abkühlende Gas- und Staubscheibe, aus der sich durch zufällige Verdichtungsprozesse und unter dem Einfluss der Schwerkraft die Planeten bilden. Die Theorie von Kant zur Entstehung von Sternen und Planeten kann inzwischen als bestätigt gelten. Bei jungen Sternen wurden immer wieder auch Gas- und Staubscheiben (protoplanetare Scheiben) entdeckt. In einigen gibt es sogar ein oder mehrere Lücken entdeckt, ein deutlicher Hinweis auf bereits fertige Planeten, die alle Materie auf ihrer Umlaufbahn eingesammelt haben.

Protoplanetare Scheiben (Proplyds) - so wie von Immanuel Kant vorhergesagt - im Orionnebel einer Sternentstehungsreaktion in unserer Milchstraße. Quelle: Hubble Telescope (http://www.spacetelescope.org/)

Ausgehend von den Beobachtungen des englischen Astronomen Thomas Wright (1711–1786), der das am Himmel sichtbare Band der Milchstraße als Querschnitt durch eine riesige rotierende Scheibe von Sternen ansah, welche sich auf Grund der Schwerkraft zusammengefunden hatte, folgerte Kant, daß die zahlreichen runden, elliptischen oder spiralförmigen Nebel, die man  damals in immer größerer Anzahl entdeckte, nichts anderes waren als ferne Welteninseln, ähnlich wie die Milchstraße. Die Milchstraße und das Universum waren also nicht dasselbe, sondern es gab viele Welteninseln (Galaxien) in einem Universum, das unendlich viel größer war als zuvor gedacht.

Mit seiner Theorie von den vielen Welteninseln vertrat Kant damals eine Minderheitenmeinung. Die meisten Astronomen hielten die Nebel für Objekte innerhalb der Milchstraße. Man dachte an von nahen Sternen beschienene Gas- und Staubwolken oder an Planetensysteme in ihrer Entstehungsphase  (protoplanetare Scheiben). Erst mehr als 150 Jahre später wurden die revolutionäre Welteninseltheorie von Kant durch Beobachtungen bestätigt, als es dem Astronomen Edwin Hubble gelang, den Spiralnebel Andromeda (und später auch andere Galaxien) in Einzelsterne aufzulösen (s.u.).  

1826 Wilhelm Olbers und das Paradoxon des ewigen unendlichen Weltalls

Im Jahre 1826 fiel dem deutschen Astronomen Heinrich Wilhelm Olbers (1758-1840) bei der Betrachtung des Weltalls ein verblüffender Widerspruch auf:  Wenn das Weltall tatsächlich únendlich und ewig war, wie die meisten Astronomen seinerzeit annahmen, dann musste der Nachthimmel doch eigentlich gleißend hell sein. In einem unendlichen und ewigen Weltall hätte das Licht jedes Sterns die Erde längst erreicht, da ja schon unendlich viel Zeit verstrichen ist. Der Himmel wäre dann überall so hell wie die Oberflächen der Sterne selbst.

Das Olbers Paradoxon des unendlichen und ewigen Weltalls. Quelle: Wikipedia

Das war aber ganz offensichtlich nicht der Fall. Eine naheliegende Erklärung für dieses Olberssche Paradoxon war die Annahme, daß das Universum eben nicht unendlich ist und auch noch nicht ewig existiert. Auch dunkle Staub- und Gaswolken, die das Sternenlicht vielerorts vielleicht abschirmen waren kein Ausweg, denn Strahlung absorbierende Materie heizt sich auf und beginnt ebenfalls zu strahlen, irgendwann sogar mit derselben Helligkeit wie die Sterne.

1838: Friedrich Wilhelm Bessel und die Parallaxe von 61 Cygni

Der deutsche Astronom Friedrich Wilhelm Bessel an der Königsberger Sternwarte schaffte es im Jahre 1838 erstmals die Entfernung zu einem anderen Stern zu bestimmen. Dabei bediente er sich der Parallaxenmethode. Das Prinzip dieser Methode lässt sich anhand eines von jedermann leicht durchzuführenden Experiments gut veranschaulichen. 

Friedrich Wilhelm Bessel (1784-1846). Quelle: Wikipedia

Man strecke einen Arm aus und peile über den Daumen zunächst mit dem linken Auge (während man das rechte Auge geschlossen hält) ein weiter entferntes Objekt der Umgebung an. Dann schließe man das linke Auge und peile mit dem rechten Auge. Der Daumen springt nach links, weist also nicht mehr auf das ursprünglich angepeilte Objekt. Je weiter der Arm ausgestreckt wird, je weiter entfernt also der Daumen, umso geringer der Daumensprung und umgekehrt.

Das linke und das rechte Auge sehen die Umgebung aus einem leicht unterschiedlichen Blickwinkel. Diese Winkeldifferenz, die Parallaxe ist von der Entfernung der wahrgenommenen Objekte abhängig und damit auch die Grundlage der räumlichen Wahrnehmung. Aus den Bildern des linken und des rechten Auges konstruiert das Gehirn anhand der unterschiedlichen Winkeldifferenzen der unterschiedlich weit entfernten Objekte einen räumlichen Eindruck der Umgebung.

Da die Erde die Sonne in einem Jahr umrundet, muß sich im Laufe eines halben Jahres die wahrgenommene Position eines nahen Sterns gegenüber weiter entfernten Hintergrundsternen sichtbar ändern. Dabei entspricht der nahe Stern dem Daumen bei unserem kleinen Versuch, die Hintergrundsterne entsprechen den weiter entfernten Objekte der Umgebung vor denen der Daumen hin und her springt, und der Erdbahndurchmesser entspricht dem Abstand zwischen linkem und rechtem Auge. Die gemessene Winkeldifferenz der Positionsänderung des nahen Sterns, wird als Sternenparallaxe bezeichnet. Je weiter entfernt ein Stern, umso geringer die Parallaxe.

Die einfache Parallaxenmethode zur Entfernungsbestimmung von Sternen. Quelle: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/ (verändert)

Bessel bestimmte die Parallaxe des Doppelsterns 61 Cygni im Sternbild Schwan. 61 Cygni zeigt eine deutliche Eigenbewegung gegenüber seinen Nachbarsternen am Himmel, bei denen es sich also um weiter entfernte Hintergrundsterne handeln muß, eben deshalb ohne erkennbare Eigenbewegung.

 Der Doppelstern 61 Cygni im Sternbild Schwan. Quelle: Wikipedia und http://www.epsilon-lyrae.de/

Bessel ermittelte eine Entfernung zu 61 Cygni von 10,5 Lichtjahren, was beinahe dem heutigen Wert von 11,4 Lichtjahren entspricht.

Mit der Parallaxenmethode stieß man jedoch sehr schnell an Grenzen, denn bei Entfernungen über 100 Lichtjahren wurde die Parallaxe unmeßbar klein.

Mit einer modifizierten Parallaxenmethode, der Sternstromparallaxe kommt man schon deutlich weiter. Allerdings funktioniert die Methode nur bei sich bewegenden offenen Sternhaufen, wie den Hyaden im Sternbild Stier (ca. 350 Sterne).

Der Bewegungssternhaufen der Hyaden im Sternbild Stier. Quelle: Far Away Worlds (erstellt mit Stellarium)

Die Mitglieder eines solchen Sternhaufens bewegen sich auf parallelen Bahnen, die aus perspektivischen Gründen (ähnlich wie zwei parallelen Eisenbahnschienen zum Horizont hin) scheinbar auf einen gemeinsamen Fluchtpunkt zulaufen. Dieser liegt im Falle der Hyaden beim roten Riesenstern Beteigeuze im Sternbild Orion. Damit kennt man die Richtung der wahren räumlichen Bewegung, also auch der wahren Geschwindigkeit. Die von dem Beobachter weg oder auf ihn zugerichtete Bewegung (Radialgeschwindigkeit) lässt sich unter Nutzung des Doppler-Effekts bestimmen. Bei einem Stern, der sich relativ auf den Beobachter zubewegt, treffen die Wellenberge der elektromagnetischen Strahlung in kürzeren Abständen ein, mit einer höhern Frequenz und einer kürzeren Wellenlänge (Blauverschiebung) als wenn der Stern ruht. Entfernt sich der Stern, so verhält sich das genau umgekehrt (Rotverschiebung). Das Ausmaß der Blau- oder Rotverschiebung zeigt die Geschwindigkeit mit welcher sich der Stern nähert oder entfernt. Diesen Dopplereffekt kann man auch im Alltag erleben. Der Ton des Martinshorns eines vorbeifahrenden Polizei oder Krankenwagens klingt höher (höhere Frequenz) als im Stand, solange sich das Fahrzeug nähert, aber tiefer (niedrigere Frequenz), wenn es sich wieder entfernt.

Aus der Radialgeschwindigkeit und der wahren Bewegung (wahre Geschwindigkeit) des Sterns ergibt sich die Geschwindigkeit am Himmel senkrecht zur Beobachtungsrichtung (Tangentialgeschwindigkeit) . und damit auch die Eigenbewegung des Sterns innerhalb eines bestimmten Zeitraumes. Diese Eigenbewegung erscheint in Abhängigkeit von der Entfernung des Sterns unter einem mehr oder weniger kleinem Winkel, der für mehrere Sterne des Sternhaufens gemittelt die Sternstromparallaxe ergibt. Eine kleine Sternstromparallaxe weist auf eine große Entfernung des Sternhaufens hin, eine große Sternstromparallaxe zeigt hingegen eine relativ geringe Entfernung an.

Sternstromparallaxe (Erklärungen im Text). Quelle: Far Away Worlds

Mit der Länge der Beobachtungszeit werden die Parallaxen der einzelnen Haufensterne immer größer. Damit nimmt die Genauigkeit der Sternstromparallaxen-Methode zu und natürlich auch die Größe der bestimmbaren Entfernungen.

1909-1913 Das Hertzsprung - Russel Diagramm

Die Sterne im Universum weisen eine große Vielfalt auf: Es gibt hell leuchtende oder nur schwach glimmende Sterne, darunter viele Einzelsterne, aber noch mehr Doppelsterne, Dreifachsterne, ja sogar Mehrfachsterne, die einander (um einen gemeinsamen Schwerpunkt) umkreisen. Sterne haben viele verschiedene Farben, abhängig von ihrer Oberflächentemperatur: Von den eher „kühlen“ roten Sternen, über orangene, gelbe, grüne bis hin zu den ganz “heißen“ weißen und blauen Sternen.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts  kamen die beiden Astronomen Ejnar Hertzsprung und Henry Norris Russel unabhängig voneinander auf die Idee, die absolute Leuchtkraft der Sterne in Bezug auf ihre Farbe (Hertzsprung 1909) und später dann noch genauer auf ihr Farbspektrum(Russel 1913) in einem Diagramm grafisch darzustellen. 

Die Analyse der Farben des Sternenspektrums war schon damals ein nicht mehr wegzudenkendes Verfahren der Astronomie. Bei der Spektralanalyse wird das Licht eines Sternes mit einem Prisma oder Beugungsgitter in sein Farbspektrum, also in seine verschiedenen elektromagnetischen Wellenlängen zerlegt. Das Spektrum erlaubt vor allem genaue Rückschlüsse auf die Temperatur der Lichtquelle. Je höher die Temperatur, umso mehr überwiegt das kurzwellige, blauviolette Ende des Spektrums, je niedriger die Temperatur, umso mehr das rote Ende. Die feinen dunklen Linien im Spektrum (Fraunhofer-Linien) kommen durch Atome in der Sternatmosphäre zustande, die das über alle Wellenlängen kontinuierliche Sternenlicht bei bestimmten Wellenlängen absorbieren und dann zerstreuen. Die Fraunhofer-Linien lassen so genaue Rückschlüsse auf die elementare Zusammensetzung der Sternatmosphäre und damit auch des Sterns zu.

Spektralklassen und Hertzspung-Russel-Diagramm (HRD). Quelle: ESA, Far Away Worlds

Die meisten Sterne liegen im Hertzsprung-Russel Diagramm auf der von links oben nach rechts unten verlaufenden Hauptreihe. Unsere Sonne  (Spektraltyp G) liegt in der Mitte der Hauptreihe, die roten Zwergsterne (Spektraltyp M) unten rechts, die massereichen Sterne (Spektraltypen O und B) oben links.

In der Zeit als Hertzsprung und Russel ihr Diagramm vorstellten, wusste noch niemand genau, wodurch unsere Sonne und die anderen Sterne ihre Energie eigentlich gewinnen. Nachdem die Astronomen in den 1920er und 1930er Jahren aber herausgefunden hatten, daß Sterne ihre Energie aus Kernfusionsprozessen gewinnen – wobei Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen (Wasserstoffbrennen) - vermuteten sie, daß die Hauptreihe des Hertzsprung-Russel Diagramms verschiedene Sternentwicklungsphasen widerspiegelten: 

Durch das fortlaufende Wasserstoffbrennen im Inneren eines Sterns reichert sich dort das schwerere Helium immer mehr an. In dem  durch und durch konvektiven Stern werden Helium und Wasserstoff aber so gut durchmischt, daß es niemals an Wasserstoff für eine Fortsetzung der Kernfusion im Inneren des Sterns mangelt. Ja mehr noch, die höhere Dichte durch den wachsenden Heliumanteil verdichtet den alternden Stern, sorgt so für steigende Temperaturen und damit auch für eine erhöhte Kernfusionsrate. Ältere Sterne verbrauchen deshalb ihren nuklearen Brennstoff sehr schnell , verlöschen bald, kühlen dann ab und werden dabei immer röter. Junge Sterne erscheinen dagegen hell und blauweiß. Sie befanden sich oben links auf der Hauptreihe. Im Alter verlieren sie an Leuchtkraft, wandern nach unten rechts auf der Hauptreihe und  werden blassrot. Soweit die Theorie. Allerdings gab das Hertzsprung-Russel-Diagramm nach wie vor  Rätsel auf, denn es gab auch Sterne abseits der Hauptreihe. So hatte man rote Sterne mit hoher Leuchtkraft oberhalb und blauweiße, äußerst leuchtschwache Sterne unterhalb der Hauptreihe gefunden.

1912: Henrietta Swan Leavitt und die Leuchtkraft der Cepheiden

Seit 1902 studierte die amerikanische Astronomin Henrietta Swan Leavitt (1868-1921) am Observatorium der Harvard University Sterne mit periodisch veränderlicher Leuchtkraft (Veränderliche) in der Großen und Kleinen Magellanschen Wolke, zwei kleinen irregulären Nachbargalaxien der Milchstraße (s.u.).

Henrietta Swan Leavitt (1868-1921) Quelle: Wikipedia

Zur damaligen Zeit galten die Magellanschen Wolken noch nicht als eigenständige Galaxien, sondern lediglich als Sternansammlungen innerhalb der Milchstraße. Im Jahre 1912 entdeckte Leavitt bei einem bestimmten Typ veränderlicher Sterne, den Cepheiden, einen direkten Zusammenhang zwischen der Periodendauer und der Leuchtkraft. Je länger die Periode, je langsamer der Stern also pulsierte, umso größer war die Leuchtkraft (im Maximum und Minimum der Periode) und umgekehrt.

Perioden-Leuchkraft-Beziehung der Cepheiden für das Helligkeitsmaximum und -minimum. Man erhält zwei Geraden, also eine lineare Beziehung, wenn Periodendauer und Leuchkraft logarithmisch aufgetragen werden. Quelle: Leavitt (1912).

Cepheiden sind hell leuchtende Riesensterne, die mit großen Teleskopen über Millionen Lichtjahre auszumachen sind. Die Perioden-Leuchtkraft-Beziehung der Cepheiden lässt sich zur Entfernungsmessung  über solch große Distanzen nutzen, da sich aus der Periodendauer unmittelbar die absolute Leuchtkraft dieser Sterne ergibt. Vergleicht man die so ermittelte absolute mit der entfernungsabhängigen scheinbaren Helligkeit, so kann man auf die Entfernung der Cepheiden schliessen, denn die wahrgenommene Helligkeit eines Sternes sinkt mit dem Quadrat seiner Entfernung. 

Pulsation und Helligkeit eines Cepheiden. Quadratisches Abstandsgesetz. Quellen: http://www.mso.anu.edu.au/ und http://leifi.physik.uni-muenchen.de/ (verändert)

Bei einer Verdopplung der Entfernung verteilt sich die gleiche Strahlung auf die vierfache Kugelfläche, bei einer Verdreifachung auf die neunfache usw.. Allerdings muss die Entfernungsmessung anhand der Perioden-Leuchtkraft-Beziehung noch kalibriert werden, indem man die Entfernung mindestens einiger Cepheiden mit einer unabhängigen Meßmethode bestimmt und damit dann auch deren absolute Helligkeit  kennt. Allerdings gab es keine Cepheiden, die nah genug waren, um ihre Entfernung mit der einfachen Parallaxenmethode zu bestimmen.

Durch den Vergleich der absoluten Helligkeiten der Hauptreihensterne der Hyaden -die man aus der mit der Sternstromparallaxe gemessenen  Entfernung dieses offenen Sternhaufens herleiten konnte- mit den scheinbaren Helligkeiten der Hauptreihensterne der Magellanschen Wolken konnte man direkt deren tatsächliche Entfernung abschätzen. Damit waren auch die absoluten Helligkeiten der Cepheiden bekannt und die Perioden-Leuchtkraft- Beziehung der Cepheiden konnte kalibriert werden.

1919 Eddington zeigt Lichtablenkung im Gravitationsfeld der Sonne und beweist damit die Krümmung des Raumes

Der englische Astronom Arthur Stanley Eddington (1882-1944) leitete im Jahre 1919 eine Expedition auf die Vulkaninsel Príncipe im Golf von Guinea in Westafrika, um eine totale Sonnenfinsternis zu beobachten, die am 29. Mai 1919 solte. Eddington wollte die Lichtablenkung durch das Schwerefeld der Sonne nachweisen, welche der Physiker Albert Einstein (1879-1955) in seiner Allgemeine Relativitätstheorie vorausgesagt hatte. Einstein beschrieb darin, wie Materie und Energie, die einander äquivalent sind, gemeinsam Raum und Zeit beeinflussen. Raum und Zeit bilden dabei eine Einheit, die 4-dimensionale Raumzeit. Eine Masse krümmt, in Abhängigkeit von ihrer Größe, den sie umgebenden Raum und verlangsamt in ihrem Einflußbereich die Zeit .

Eine Masse von der Größe der Sonne müsse daher in der Lage sein, so Einstein, den sie umgebenden Raum deutlich meßbar zu krümmen. Sterne in unmittelbarer Nähe der Sonne müssten dann gegenüber ihrer wahren Position am Himmel ein wenig versetzt erscheinen, weil ihr Licht durch die Krümmung des Raumes abgelenkt wird. Dieser Effekt liess sich aber nur bei einer totalen Sonnenfinsternis ausmachen, da die Sonne normalerweise alle (und erst recht unmittelbar benachbarte) Sterne hoffnungslos überstrahlt.

Arthur Eddington (1882-1944) lieferte den ersten direkten Beweis für die Krümmung des Raumes und damit für die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins. Quelle: Wikipedia, American Scientist

Eddington gelang es nun bei der Sonnenfinsternis vom 29.Mai 1919 eine Verschiebung der scheinbaren Position der Sterne nahe der Sonne in genau dem von Einstein vorhergesagtem Umfang nachzuweisen. Damit lieferte er den ersten direkten Beweis für die Krümmung des Raums und die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins.

1923: Edwin Hubble und die Expansion des Weltalls 

In den Jahre 1922 und 1923 untersuchte der Astronom Edwin Hubble mit dem damals weltgrößten 2,5m Hooker-Spiegelteleskop am Mount Wilson Observatorium den Andromedanebel (M31, Nr.31 in dem Katalog der Sternhaufen, Galaxien und Nebel des französichen Astronomen Charles Messier), einen Spiralnebel, den man  schon mit bloßem Auge am Himmel erkennen kann. Die Natur der Spiralnebel war seinerzeit umstritten.  Einige Astronomen meinten, es handele sich um ferne Sternansammlungen, ähnlich unserer Milchstraße. Die meisten Astronomen betrachteten die Spiralnebel jedoch nach wie vor als  Objekte innerhalb unserer Milchstraße (s.o.). 

Hubble gelang es nun aber, den Andromedanebel M31 eindeutig in Einzelsterne aufzulösen. Unter den einzeln aufgelösten Sternen entdeckte er auch einige veränderliche, regelmäßig pulsierende Cepheiden.

Mit Hilfe der Cepheiden konnte Hubble nun erstmals auch die Entfernung zum Andromedanebel bestimmen. Sie betrug volle 1 Million Lichtjahre, also  weit außerhalb unserer Milchstraße. Damit war die Sache entschieden. Der aus vielen Einzelsternen bestehende Andromedanebel war eine eigenständige Galaxie, eine Welteninsel ähnlich unserer Milchstraße.

Andromeda Galaxy (M31) Source: Palomar Observatory

Durch die Hubbles Entdeckung der wahren Natur der Spiralnebel war das Weltall auf einmal plötzlich viel größer geworden.

Hubble unterschätzte die Entfernung des Andromedanebels sogar noch, denn es stellte sich später heraus, daß es zwei unterschiedliche Cepheidentypen mit unterschiedlichen Perioden-Leuchtkraft-Beziehungen gibt. Kalibriert man dementsprechend neu, so ergibt sich eine Entfernung von rund 2,2 Millionen Lichtjahren zur Andromeda-Galaxie. An der grundsätzlichen Richtigkeit der Erkenntnisse Hubbles ändert das aber nichts.

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Edwin Hubble (1889-1953) and 2,5m (100 inch) Hooker-Teleskope at Mt.Wilson Observatory Source: Wikipedia, http://www.astro.caltech.edu/

Hubble entwickelte auch ein System der Klassifizierung von Galaxien, das diese nach ihrem optischen Erscheinungsbild in Form eines Stimmgabeldiagramms ordnete. Es gab die elliptischen Galaxien am Griff der Stimmgabel. Sie waren rund oder eher langgestreckt (E0-E7). Dort wo die Zinken mit den Spiralgalaxien abzweigten war eine flache Scheibe (S0), eine Spirale ohne erkennbare Arme. Die Spiralgalaxien unterteilten sich in gewöhnliche Spiralen (Sa-Sc) und in Balkenspiralen (SBa-SBc), die sich jeweils in der Ausprägung ihres Kernbereichs und ihrerSpiralarmen unterscheiden. Ausserhalb des eigentlichen Stimmgabeldiagramms ordnete Hubble die irregulären Galaxien ein. Dabei handelte es sich um Sternansammlung ohne erkennbare Ordnungsstruktur.

Hubble´s Stimmgabel-Diagramm zur Klassifizierung der Galaxien. Es gibt elliptische und Spiralgalaxien, daneben aber auch noch irreguläre Galaxien. Quelle: Wikipedia

Hubble vermutete, daß sich hinter dem Stimmgabeldiagramm ein Entwicklungsprozess der Galaxien verbirgt, konnte dafür aber keine Beweise finden.

Hubble gelang noch eine weitere Entdeckung, die unser Bild vom Weltall entscheidend veränderte. Er fand eine Beziehung zwischen den Entfernungen der Galaxien und dem Dopplereffekt in ihren Spektren. Fast alle Galaxien zeigten eine Rotverschiebung in ihren Spektren, die umso größer war je größer die Entfernung. Mit anderen Worten nahezu alle Galaxien entfernten sich von unserer Milchstraße, wobei die Fluchtgeschwindigkeit mit  wachsender Entfernung zunahm. War am Ende, wenn nicht die Erde, so vielleicht doch immerhin unsere Milchstraße der Mittelpunkt des Weltalls?

Hubble fand einen gesetzmäßigen Zusammenhang zwischen den Entfernungen der Galaxien und ihrer Fluchtgeschwindigkeit, der auf eine Expansion des Weltalls hindeutet. Quelle: Edwin Hubble (http://www.pnas.org/)

Doch dem ist nicht so, wie man sich anhand eines einfachen Modells schnell klar machen kann. Der Hefeteig eines Rosinenkuchens stehe für das Weltall und die Rosinen für darin befindlichen Galaxien. Beim Aufgehen dehnt sich der Teig in alle Richtungen aus, so daß auch die Abstände zwischen den Rosinen größer werden. Aus der Sicht jeder beliebig herausgegriffenen Rosine eilen alle anderen Rosinen davon und zar umso schneller, je weiter sie entfernt sind. Das muss auch so sein, da mit wachsender Entfernung sich mehr Teig zwischen ihnen befindet, der sich ausdehnen kann. Genauso ist es auch beim Weltall. Der Raum zwischen den Galaxien dehnt sich aus und damit auch das gesamte Weltall (Expansion des Weltalls). Mögliche Beobachter in jeder dieser Galaxien wähnen sich im Mittelpunkt des Weltalls, da sich aus ihrer Sicht alle anderen Galaxien entfernen. Da alle Galaxien gleichberechtigt sind gibt es aber überhaupt keinen wirklichen Mittelpunkt des Weltalls. 

Wie oben beschrieben beobachtet man bei nahezu allen Galaxien eine Rotverschiebung. Aber warum nicht bei allen? Galaxien schliessen sich über begrenzte Entfernungen infolge ihrer gegenseitigen Masseanziehung (Gravitation) zu Gruppen und Haufen zusammen. So bildet unsere Milchstraße mit der Andromedagalaxie (M31) und anderen Nebeln die „lokale Gruppe“. Gruppenmitglieder nähern sich dabei desöfteren sogar einander an. Deshalb beobachtet man unter den näheren Galaxien auch  immer wieder einmal eine Blauverschiebung im Spektrum. Im größeren Maßstab betrachtet, entfernen sich jedoch alle Galaxien voneinander und man misst regelmäßig eine Rotverschiebung.

Große Unsicherheiten gab es aber bei der Entfernungsbestimmung der Galaxien. Bei weiter entfernten Galaxien waren die Cepheiden nicht mehr auszumachen und Hubble musste auf andere, höchst unsichere Methoden ausweichen. So gab es beispielsweise die Möglichkeit die scheinbare Helligkeiten von Gaswolken oder Sternexplosionen (Novae und Supernovae) in weit entfernten Galaxien mit der Helligkeit ähnlicher Erscheinungen in näheren Galaxien zu vergleichen, deren Entfernung man bereits kannte. Bei weit entfernten Galaxienhaufen machte sich Hubble die Tatsache zu Nutze, daß es dort immer eine besonders massereiche elliptische Galaxie im Zentrum gab. Hubble ging davon aus, daß sie eine Obergrenze für die mögliche Masse von Galaxien darstellten, also die maximal mögliche Galaxienhelligkeit besaßen. Unter dieser Annahme ließen sie sich als Standardkerzen für die Entfernungsbestimmung nutzen. 

Trotz all dieser Unsicherheiten, an der von Hubble entdeckten Expansion des Universums war kaum zu zweifeln. 

Das Universum erschien nun erstmals nicht mehr statisch und zeitlos, sondern es war dynamisch, es hatte eine Geschichte und veränderte sich dabei. Rechnete man die Expansion des Universums rückwärts in die Vergangenheit, so schrumpfte es immer mehr zusammen bis irgendwann einmal Raum und Materie in einem Punkt vereint waren. Das Universum musste also einen Anfang haben. Diese Überlegungen führten dann direkt zur  Theorie vom Urknall.

In den darauf folgenden Jahren versuchte Hubble herauszufinden, ob das Weltall offen war, sich also immer weiter ausdehnte, oder ob die Expansion irgendwann zum Stillstand kam, um sich dann umzukehren, das Weltall also geschlossen war. Die entscheidende Frage war: Gab es genug Materie und Energie, so daß die Gesamtschwerkraft ausreichte, um das Universum zu einer geschlossenen Raum-Zeit-Blase zu krümmen oder nicht?

Um das heraus zu bekommen versuchte Hubble zunächst die Anzahl der Galaxien als Funktion ihrer Entfernung  zu bestimmen. Dabei ging er davon aus, daß im Durchschnitt die scheinbare Helligkeit der Galaxien mit ihrer Entfernung abnahm. Die über- oder unterdurchschnittlich hellen Galaxien würden sich bei einer ausreichend großen Anzahl herausmitteln.

Nahm die Anzahl der Galaxien überproportional mit ihrer Entfernung zu, so war das ein Hinweis auf ein positiv gekrümmtes, also geschlossenes Weltall. War die Zunahme dagegen unterproportional, so wies das auf ein negativ gekrümmtes, offenes Weltall hin. Eine proportional mit der Entfernung zunehmende Galaxienzahl deutete auf ein flaches Weltall, das lediglich in der Nähe größerer Massen lokal begrenzt gekrümmt ist.

Zum besseren Verständnis eine 2-dimensionale Analogie: Eine Kugeloberfläche ist positiv gekrümmt, ein Pferdesattel (Hyperboloid) dagegen negativ. Eine Steinplatte ist flach, hat also die Krümmung Null. Hier gelten im gegensatz zu den beiden anderen Fällen die Gesetze der euklidische Geometrie (z.B. Winkelsumme im Dreieck =180°).

Das Problem war auch hier die Entfernungsbestimmung der Galaxien, die mit großen Unsicherheiten behaftet war. Hubble meinte aber deutliche Hinweise auf ein geschlossenes Universum gefunden zu haben.

1948 George Gamov und der Urknall

Der russisch-US-amerikanische Astrophysiker George Gamov (1904-1968) veröffentlichte im Jahre 1948 eine Arbeit über den physikalischen Zustand des Universums in seinen frühesten Anfängen. Gamov rechnete das expandierende Universum rückwärts und ließ die Materie dabei immer dichter und heißer werden. Schließlich zerfielen die Atome wegen der ungeheuren Energiedichte in ihre Bestandteile und bildeten ein Plasma aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Dann ließ er die Zeit wieder vorwärts laufen. Wenn sich das winzige, extrem dichte und heiße Universum ausdehnte und dabei etwas abkühlte zerfielen die durch Kernverschmelzung gebildeten Wasserstoff- und Heliumkerne nicht mehr. Bei weiterer Abkühlung wurden auch die Elektronen eingefangen und es bildeten sich Wasserstoff- und Heliumatome im Verhältnis 10:1, genauso wie man sie auch im wirklichen Universum vorfand. Das Universum war lichtdurchlässig geworden, da das Licht nicht mehr durch freie Elektronen gestreut wurde. Insbesondere das genau richtige Verhältnis zwischen Wasserstoff und Helium, die gemeinsam 99,9% der Materie im Universum ausmachten, sprach für das heiße Urknallmodell von George Gamov.

George Gamow (1904-1968) und sein Urknallmodell. Quellen: http://www.nndb.com/ und http://physics.uoregon.edu/

Allerdings fehlten noch 0,1%, die schweren Elemente, von den Astronomen auch Metalle genannt. Diese konnten nicht mehr entstehen, weil das Universum in Gamovs Modell so schnell expandierte und abkühlte, daß es für die dazu notwendigen Kernverschmelzungsreaktionen nicht mehr reichte. Ohne schwere Elemente gab es aber keine Planeten und erst Recht kein Leben im Universum. Es blieb nur die Möglichkeit, daß sich die schweren Elemente später bilden, vielleicht in den Sternen?

1953 Sandage und Schwarzschild lösen das Rätsel der Sternentwicklung

In den früher 1950er Jahren untersuchte der junge amerikanische Astronom Allan Rex Sandage am Mt. Palomar Observatorium im Rahmen seiner Doktorarbeit den Kugelsternhaufen M3. Er arbeitete für ein Projekt von Martin Schwarzschild, einem Experten für den Aufbau und die Entwicklung von Sternen. Ziel des Projekts war die Altersbestimmung von Kugelsternhaufen. Dafür musste man verstehen wie Kugelsternhaufen sich im Laufe der Zeit entwickeln.

Kugelsternhaufen sind mehr oder weniger kugelförmige Ansammlungen von Sternen, die durch gegenseitige Massenanziehung (Gravitation) eng aneinander gebundenen sind. Die Anzahl ihrer Sterne reicht von rund 100.000 bis zu einigen Millionen. Die Kugelsternhaufen umkreisen auf konzentrischen Bahnen – ohne bevorzugte Orientierung im Raum – das Zentrum unserer Milchstraße und auch der meisten anderen Galaxien.  

Kugelsternhaufen zählte man schon damals mit zu den ältesten Objekten im Weltall. Gelang es ihr Alter herauszufinden, so kannte man auch das Mindestalter des gesamten Weltalls. 

Die ganz überwiegende Anzahl aller Sterne in Kugelsternhaufen gehören zu den relativ kleinen und kühlen, daher nur rotglühenden Sternen der  Population-II. Innerhalb der Kugelsternhaufen findet man kaum Gas- und Staubwolken, so daß sich hier keine neuen Sterne bilden können. Offenbar wurden Gas und Staub schon vor langer Zeit bei Sternengeburten nahezu vollständig verbraucht.

In den Armen der Spiralgalaxien findet man dagegen viele heiße und blauleuchtende Sterne der Population I, eingebettet in Gas- und Staubwolken. Ständig werden neue Sterne gebildet, so daß sich die Sternpopulation der Spiralgalaxien laufend erneuert. 

 Das NASA-Weltraumteleskop Hubble lieferte inzwischen weitere interessante Details überP/2010 A2:

Das Hubble-Weltraumteleskop fotografierte das kometenähnlich erscheinende Objekts P/2010 A2 im Asteroidengürtel am 29. Januar 2010. Quelle: http://hubblesite.org/

Zwar verfügt P/2010 A2 wie ein Komet über einen auffälligen Schweif, dieser besteht aber nur aus Staub und Geröll. Kometen setzen aber normalerweise bei der Annäherung an die Sonne auch große Mengen gasförmiger Stoffe frei, die durch den Strahlungsdruck und den Teilchenwind (Sonnenwind) der Sonne nach außen weggeblasen werden. Kometen werden oft als schmutzige Schneebälle bezeichnet. Sie bestehen aus Wassereis, gefrorenen Gasen wie Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Ammoniak (NH3) und Methan (CH4), Silikaten, Mineralien und komplexen organischen Substanzen. Kometen sind aber ausgesprochen felsige Schneebälle, denn die festen überwiegen eindeutig die flüchtigen Bestandteile. Der eigentliche feste Kern eines Kometen ist vollständig von Gas und Staub eingehüllt. Diese Kernhülle, auch Koma genannt, entsteht, wenn der Komet die Jupiterbahn passiert hat. Flüchtige Bestandteile des Kometen verdampfen, wenn die Sonne seine Oberfläche erwärmt und reissen dabei kleine Staubteilchen mit. Erst später, bei noch größerer Annäherung an die Sonne, werden Strahlungsdruck und Sonnenwind ausreichend wirksam, damit sich aus Gas und Staub der für Kometen so charakteristischen Schweif bilden kann.

Bei dem Objekt P/2010 A2 ist der kompakte Kern klar zu erkennen, denn eine Koma gibt es nicht. Der Kern ist mit einer x-förmigen Struktur verbunden, die in den Schweif übergeht. Das X erscheint so deutlich, weil das Material hier dichter ist als im Schweif. 

Die derzeit naheliegenste Interpretation ist, daß  P/2010 A2 aus der frontalen Kollision zweier Asteroiden hervorgegangen ist. Das würde das  Fehlen gasförmiger Substanzen Im Schweif erklären, da Asteroiden kaum flüchtige Bestandteile enthalten und natürlich auch die nahezu kreisförmige Bahn mit der das Objekts die Sonne umläuft. Das X markiert möglicherweise die Bahn der beiden Asteroiden und den Ort ihrer Kollision, wobei sie zwei  sich kreuzende Trümmerspuren hinterließen. Anscheinend wurde der eine Asteroid dabei vollkommen zerstört, während von dem anderen  Asteroiden noch ein recht großes, beschädigtes Teil übrig blieb, sichtbar als Kern vonP/2010 A2. Strahlungsdruck und Sonnenwind formten aus den kleineren Trümmerteilen einen Schweif.

Die meisten Astronomen davon aus, daß es im Asteroidengürtel recht häufig zu Kollisionen kommt. Noch nie zuvor wurde aber ein solcher Vorgang direkt beobachtet.

Asteroiden und Kometen sind Überreste der protoplanetaren Scheibe aus der die Planeten unseres Sonnensystems entstanden sind. 

Vor über 4 1/2 Milliarden Jahren zog sich eine interstellare Gas- und Staubwolke unter dem Einfluß ihrer eigenen Schwerkraft zusammen und begann dabei zu rotieren. Wegen der Erhaltung des Drehimpulses wurde sie dabei immer schneller (wie eine sich drehende Eisläuferin, die ihre Arme anzieht)und flachte zu einer Scheibe ab. Im Zentrum nahmen Dichte und Temperatur immer mehr zu bis Kernfusionsprozesse zündeten und eine Stern entstand. Die Scheibe kühlte von außen nach innen langsam ab, so daß Kondensationvorgänge einsetzten, wobei die vielen Staubteilchen als Kondensationskerne wirkten. Langsam wuchsen die ersten Planetesimale heran, mit Durchmessern von bis zu einigen Kilometern.In Abhängigkeit der von innen nach außen abnehmenden Temperatur der Scheibe kondensierten im inneren, heißen Bereich vorwiegend metallische Teilchen, dann folgten die Silikate. Noch weiter außen, jenseits der sogenannten “Schneegrenze” überwogen dann ausgefrorene flüchtige Substanzen.

Die Planetesimale waren bald groß genug um weitere Material anzusammeln. Einige wuchsen zu Protoplaneten heran, viele Planetesimale wurden aber auch durch Kollisionen zertrümmert oder durch die Schwerkraft der Protoplaneten aus ihrer Bahn geworfen. Planetesimale aus der inneren Region der protoplanetaren Scheibe stürzten häufig in die Sonne, die meisten Planetesimale aus der äußeren Region sammelten sich aber in zwei  Ringen weit entfernt von der Sonne, dem Kuiper-Gürtel und noch weiter draußen in der Oortschen Wolke.

Jenseits der “Schneegrenze” entstanden die größten Protoplaneten, weil hier am meisten Kondensationsmaterie zur Verfügung steht.Diese konnten durch ihre starke Schwerkraft auch enorme Mengen flüchtiger Substanzen an sich binden. Es bildeten sich die Gasriesen, Planeten mit vergleichsweise kleinem festen Kern, umgeben von einer ungleich mächtigeren Innerhalb der „Schneegrenze“ kondensierten vorwiegend Silikate und Metalle zu deutlich kleineren Protoplaneten aus. Unter dem Bombardement der noch vorhandenen kleineren Planetesimale schmolzen die Protoplaneten auf, so daß eine innere Differenzierung stattfinden konnte. Es bildeten sich Felsplaneten mit einem Kern aus schwereren Metallen (vorwiegend Eisen und Nickel), die zur Mitte sanken und einem Mantel und der Kruste aus den leichteren Silikaten. Die dann noch übriggebliebenen felsigen Planetesimale sammelten sich in einem Asteroidengürtel.

Innerhalb des Kuipergürtels und der Oortschen Wolke kommt es immer wieder zu Nahbegegnungen der dort kreisenden Planetesimale, wodurch einige aus ihrer Bahn in das innere Sonnensystem gelenkt werden. 

Die Planetesimale des Kuipergürtels und der Oortschen Wolke erscheinen als Kometen, da sie ursprünglich jenseits der Schneegrenze entstanden sind und deshalb einen hohen Anteil gefrorener Substanzen enthalten, die sich bei der Annäherung an die Sonne verflüchtigen. 

Wie man heute weiß, ist unser Sonnensystem kein Einzelfall. Es wurden schon viele protoplanetare Scheiben in unterschiedlichen Entwicklungsstadien, hunderte Planeten und Analoga des Asteroiden- und Kuipergürtels bei anderen Sternen entdeckt. Die Bildung von Planeten ist also offensichtlich eine sehr häufige Begleiterscheinung bei der Sternentstehung.

Jens Christian Heuer

Quelle: http://hubblesite.org/