Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/nobelpreis-der-platz-des-menschen-im-universum-1910-144318.html    Veröffentlicht: 08.10.2019 16:20    Kurz-URL: https://glm.io/144318

Nobelpreis

Der Platz des Menschen im Universum

Was haben Jim Peebles, Michel Mayor und Didier Queloz je für uns getan? Sie haben die Frühzeit des Universums untersucht und fremde Welten entdeckt. Golem.de erklärt, wofür ihnen der Physik-Nobelpreis 2019 verliehen wird.

Der Nobelpreis für Physik geht in diesem Jahr zur Hälfte an den kanadischen Kosmologen Jim Peebles für seine Arbeit zur Entstehung der ersten Elemente im Universum und seine Berechnungen zu den Variationen der Hintergrundstrahlung des Universums im Mikrowellenbereich. Zur Hälfte geht er an die Astronomen Michel Mayor und Didier Queloz der Universität Genf für die Entdeckung des ersten Exoplaneten um den Stern 51 Pegasi im Sternbild Pegasus.

Das Nobelpreiskomitee begründete die Auswahl der gänzlich unterschiedlichen Felder damit, dass die Preisträger große Beiträge für das Verständnis des Universums und den Platz des Menschen darin geleistet hätten und gibt eine detaillierte Beschreibung von deren Entdeckungen.

Jim Peebles gehörte 1965 zu den Wissenschaftlern, die sich mit der kosmischen Hintergrundstrahlung auseinandersetzten. Er erklärte die kosmologischen Zusammenhänge dieser Hintergrundstrahlung aus der reinen Theorie heraus. Aber noch im gleichen Jahr wurde die damals unerwartete Messung einer Hintergrundstrahlung bekanntgegeben. Für diese Messung wurden Arnold Penzias und Robert Wilson bereits 1978 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Dunkle Materie gab es schon am Anfang des Universums

Die kosmische Hintergrundstrahlung wurde theoretisch vorhergesagt, nachdem die Messungen von Edwin Hubble darauf hindeuteten, dass das Universum in alle Richtungen des Raumes expandiert und folglich früher sehr klein gewesen sein könnte. In dem Fall müsste alle Materie des Universums zunächst stark konzentriert gewesen und von Gravitation zusammengehalten worden sein. Wie in einem Stern kommt es zur Kernfusion, bei der starke Wärmestrahlung entsteht. Diese Strahlung übt gleichzeitig einen Strahlungsdruck aus, der gegen die Gravitation wirkt und die Materie auseinandertreibt.

Diese Strahlung musste demnach damals das gesamte, noch sehr kleine Universum erfüllen und heute als Hintergrundstrahlung messbar sein. Aus diesen Messungen lassen sich verschiedene Schlussfolgerungen über die damaligen Bedingungen ziehen. Umso mehr Masse damals vorhanden war, desto stärker war auch die Gravitation. Stärkere Gravitation bedeutet aber, dass es länger dauert, bis die Materie auseinandergetrieben wird und mehr Kernfusion stattfindet. Aus dem Verhältnis vom damals noch vorhandenen Wasserstoff zum erzeugten Helium lässt sich auf die Menge der zu diesem Zeitpunkt vorhandenen Materie im Universum schließen.

Bis heute gibt es Gaswolken, die noch aus diesem "primordialen" Gemisch von Wasserstoff, Helium und einigen schwereren Atomen bestehen. Es ist überall im sichtbaren Universum identisch. Aus den Berechnungen stellte sich aber auch heraus, dass nur ein Teil der Materie damals vom Lichtdruck beeinflusst wurde. Der Rest blieb davon unbeeinflusst und wurde erst später von der Gravitation der auseinandergetriebenen Gasmassen mitgerissen.

Woraus diese Materie besteht, ist bis heute unklar. Da sie nicht von Licht beeinflusst wird, kann sie auch nicht direkt von Licht, Radiowellen oder Gammastrahlung gemessen werden. Weil sie nicht mit Licht interagiert, wird sie auch dunkle Materie genannt. Es gibt davon im Universum etwa fünfmal so viel wie sichtbare Materie.



Flecken in der Hintergrundstrahlung zeigen die Frühzeit des Universums

Der andere Beitrag von Peebles zum Verständnis des Universums waren Berechnungen zu den Variationen der Hintergrundstrahlung am Himmel. Diese Variationen mussten in der Frühzeit des Universums bei der Kernfusion entstanden sein, aus der Wechselwirkung zwischen Strahlungsdruck und Gravitation. Wo immer durch Zufall eine etwas größere Dichte vorlag, gab es mehr Kernfusion, höhere Temperaturen und stärkere Strahlung mit kürzerer Wellenlänge.

Solange der Strahlungsdruck die Kräfte in dem Gas des frühen Universums dominierte, wurden solche Variationen wieder ausgeglichen. Aber in einem ständig expandierenden Universum nimmt die Kraft des Strahlungsdrucks schneller ab als die Gravitationskraft. Wenn in einer Gegend eine höhere Dichte und mehr Kernfusion vorliegen, wird sie durch den Strahlungsdruck stärker auseinandergetrieben. Für diese Vorgänge bleibt aber nur wenig Zeit, bis das Gas insgesamt so weit auseinandergetrieben ist, dass keine Kernfusion mehr stattfindet.

Satellitenbeobachtungen bestätigen die Theorie

Peebles berechnete, wie stark sich diese Variationen im Strahlungsdruck auf die Bewegungen des Gases auswirken konnten und welche Rückwirkung umgekehrt die Gravitation des so in Bewegung gesetzten Gases haben musste. Die setzten sich ähnlich wie Schallwellen fort. Gegenden mit größerer Dichte und mehr Kernfusion strahlten dabei heller und mit kürzeren Wellenlängen. Durch die begrenzte Zeit, in der Kernfusion überhaupt noch in der ganzen Wolke stattfinden konnte, konnten die so entstandenen Strukturen aber nur eine bestimmte Größe erreichen.

Die Größe der Strukturen hängt von den genauen physikalischen Parametern des Gases in der damaligen Wolke ab, darunter auch das Verhältnis von sichtbarer zu dunkler Materie. Die Beobachtung dieser Variationen gelang erstmals 1992 mit dem Satelliten Cobe, sie wurde 2006 mit dem Nobelpreis für John Mather und George Smoot ausgezeichnet. Die Auszeichnung der theoretischen Vorarbeit für diese Entdeckungen dauerte 13 Jahre länger.

Als Peebles seine theoretische Arbeit begann, schien die Möglichkeit einer praktischen Beobachtung seiner Arbeit noch weit entfernt. Das Gleiche galt für die Beobachtung von Planeten in fremden Sternensystemen, die dort theoretisch vorhanden sein müssten. Dafür gab es diesem Jahr die zweite Hälfte des Physiknobelpreises, denn in beiden Fällen gelang es durch geschickten Einsatz der vorhandenen Technik, die Beobachtung dennoch durchzuführen.



Schon der erste Exoplanet verwirft die Theorie der Planetenentstehung

Michel Mayor und Didier Queloz von der Universität Genf entdeckten den ersten Exoplaneten um den Stern 51 Pegasi im Sternbild Pegasus. Eine direkte Beobachtung des Sterns und eines umlaufenden Planeten galt wegen des großen Helligkeitsunterschiedes und des geringen Abstandes als unmöglich. Aber die sogenannte Radialgeschwindigkeitsmethode machte eine solche direkte Beobachtung zum Nachweis eines Planeten überflüssig.

Dabei nutzten die Astronomen aus, dass der Stern keineswegs still steht, während ein Planet um ihn kreist. Vielmehr bewegen sie sich um ihren gemeinsamen Schwerpunkt. Dabei können einige Planeten einen Stern um einige Meter pro Sekunde beschleunigen. Diese Variation in der Geschwindigkeit des Sterns ist messbar durch Aufnahmen des Spektrums des Sternenlichts.

In dem Spektrum befinden sich dunkle Absorptionslinien, wo Licht bestimmter Wellenlängen von Atomen in den oberen Schichten des Sterns absorbiert wird. Die Wellenlängen dieser Absorptionslinien sind bei der Entstehung immer gleich. Allerdings verschiebt sich die Wellenlänge des Lichts durch den Dopplereffekt, wenn sich eine Lichtquelle auf einen Beobachter zu- oder von ihm wegbewegt.

Vier Tage sind ein Jahr

Moderne Spektrometer machten es möglich, selbst sehr kleine Abweichungen in der erwarteten Wellenlänge messbar zu machen. In den 1990er Jahren waren sie empfindlich genug, um den Dopplereffekt von Bewegungen mit wenigen Metern pro Sekunde messbar zu machen. Die periodische Veränderung im Dopplereffekt des Sterns 51 Pegasi ließ schließlich nur noch den Schluss zu, dass er etwa alle 100 Stunden von einem Planeten mit der halben Masse des Jupiters umkreist wird. Ein Jahr dauert nur vier Tage.

Der erste entdeckte Exoplanet war so ungewöhnlich und unerwartet, dass anschließend große Teile der Theorie der Planetenentstehung neu entwickelt werden mussten. Seit 1995 wurden mehrere tausend Exoplaneten entdeckt, viele davon haben für die Verhältnisse unseres Sonnensystems ungewöhnliche Massen in ungewöhnlichen Orbits. Der Grund dafür liegt schlicht darin, dass die dabei verwendeten Methoden am besten mit großen Planeten in sehr engen Umlaufbahnen mit kurzen Umlaufzeiten funktionieren. Das gilt auch für die Entdeckung von Planeten, die im Lauf ihres Orbits ihren Stern bedecken und so dessen Helligkeit kurzzeitig reduzieren.

Anders als in der Begründung des Nobelpreiskomitees angegeben, kennen wir damit immer noch nicht unsere Stellung im Universum. Wir wissen nicht, welche Art von Planeten in der Milchstraße und im Rest des Universums normal ist. Aber dank Mayor und Queloz konnten die ersten Schritte dahin gemacht werden.

 (fwp)


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