Astrophysik – Vom Kleinsten zum Größten

Der Haidmühler Physiker Dr. R. Köhne erläutert hier in einer kleinen Serie von 3 Artikeln einige Grunderkenntnisse der Astrophysik:
Teil 2

Unser Verstand reicht nicht aus, um sich die Größenverhältnisse im Weltall, und noch weniger, die wirkliche Größe und damit die  ungeheuer großen Entfernungen vorstellen zu können. Dennoch sollen zwei Vergleiche gezogen werden: Die winzigen Entfernungen im atomaren Bereich, und die gigantischen Entfernungen im Weltall. Sie zeigen uns  auch die Leere, die uns umgibt.  Beginnen wir mit dem Atom, dem kleinsten Teilchen eines Elementes, das sich auf chemischen Wege nicht weiter teilen lässt.

Wir erinnern uns vielleicht noch daran, dass es aus einem positiv geladenen Atomkern, mit positiven Protonen und Neutronen besteht und den winzigen, negativ geladenen Elektronen. Sehr vereinfacht ausgedrückt bewegen sich die Elektronen  in kreisförmigen Bahnen um den Atomkern– ähnlich wie die Planeten um die Sonne. Elektronen sind auch für die Stromleitung in elektrischen Leitungen verantwortlich.

Das Atom hat nur einen Durchmesser zwischen  etwa 0,000001 und 0,0000001 mm, ist also kleiner als ein Millionstel mm. Um die Größenverhältnisse im Atom zu verdeutlichen, sei auf das hübsche und sehr anschauliche Beispiel von Prof. Harald Lesch zurück gegriffen, manchen bekannt als „Fernseh-Professor“ in den ARD und ZDF Serien „Alpha Centauri“ bzw. „Leschs Kosmos“. Denken wir uns den Durchmesser eines Atoms auf die Ausmaße eines Fußball-Stadions vergrößert, so hätte der Atomkern die Größe eines Reiskorns und die Elektronen würden sich auf den obersten Zuschauer-Rängen befinden. Das Atom ist also praktisch leer.

Ganz ähnlich verhält es sich mit unserem Sonnensystem. Wir verkleinern  jetzt aber die Größe  der Sonne und Planeten. Schrumpfen wir  die Sonne auf die  Größe  einer Grapefruit, so wäre unsere Erde nur Stecknadelkopf groß. Der größte Planet unseres Sonnensystems, der Gasriese Jupiter, wäre dann so groß wie eine Kirsche. Der gesamte Durchmesser unseres Sonnensystems betrüge etwa 1 Kilometer. Man sieht, auch hier ist wieder fast alles leer.

Im Mittel beträgt die Entfernung zum Mond  ca. 380 000 km, zum Mars, unserem nächsten Nachbarn, zwischen 60 und 400  Millionen km. Wenn wir zu den noch viel  größeren Entfernungen jenseits unseres Sonnensystems gehen, werden die  Angaben in km viel zu groß. Hier verwenden die Astronomen ein anderes  Maß.

Viele von uns haben schon einmal von dem Begriff „Lichtjahr“ gehört, ohne sich viel darunter vorstellen zu können. Um es gleich vorweg zu nehmen, es ist keine Zeit, sondern die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt.

Das Licht hat die größte, überhaupt mögliche Geschwindigkeit. Nichts ist schneller als das Licht. Es legt in einer Sekunde fast 300 000 km zurück. Da ein Jahr 60 x 60 x 24 x 365 =  31 536 000 Sekunden hat, beträgt die Strecke also  31 536 000 x 300 000  =  9 460 800 000 000, also ca. 9,46 Billionen km.

Zum Mond braucht es nur wenig mehr als eine Sekunde, zum Mars mindestens drei Minuten, von der Sonne zur Erde schon gut 8 Minuten  und um unser Sonnensystem zu verlassen rund 4 Stunden. Zu unserer nächsten Sonne, dem Stern Alpha-Centauri, braucht das Licht  bereits mehr als 4 Jahre.

Um unsere Galaxie, die Milchstraße, mit ca. 100 Milliarden Sonnen zu durchqueren, die ungeheuer lange Zeit von rund 100 000 Jahren. Unsere Milchstraße  hat damit  einen Durchmesser von 100 000 Lichtjahren. Zur nächsten Galaxie, dem Andromeda Nebel, braucht das Licht (und damit alle Funk- oder sonstigen Signale) mehr als 2 Millionen Jahre. Schließlich ist  das Licht bis zum entferntesten Stern in unserem Weltall die unvorstellbar lange Zeit von nahezu 14 Milliarden Jahren unterwegs, ein Weltall, das die ebenfalls unfassbare  Anzahl von 100 Milliarden Galaxien enthalten soll.

Untenstehendes Bild  zeigt die Aufnahme des Hubble Weltraum Teleskops, mit bloßem Auge ein winzig kleiner, dunkler Ausschnitt am Nachthimmel. Das Hubble Teleskop befindet sich auf einer Erdumlaufbahn in einer Höhe von 575 km. Keine  Luftschichten stören hier mehr und man erhält sehr scharfe und genaue Aufnahmen. Man sieht sehr schön die außerordentlich zahlreichen, meist  elliptisch geformten Galaxien. Die roten Punkte sind keine Sterne, sondern die am weitest entfernten und damit auch die ältesten Galaxien.

Deep Field Aufnahme des Hubble Teleskops  (R. Williams, Hubble Deep Field Team, NASA)
Deep Field Aufnahme des Hubble Teleskops
(R. Williams, Hubble Deep Field Team, NASA)

Bei den gigantischen Entfernungen im Weltraum – zum Mars braucht das Licht  3 bis 4 Minuten, zum nächsten Stern jedoch bereits über 4 Jahre – ist eine bemannte Raumfahrt außerhalb unseres Sonnensystems nicht denkbar. In 15 bis 20 Jahren könnte aber eine Mars Mission starten. Die Hinreise  würden bis zu einem 1 Jahr  dauern. Eine Rückkehr wird aber nur unter enormem technischem und finanziellem Aufwand möglich sein. Die Reisezeiten zu unserem nächsten Sonnensystem wären aber selbst bei erheblich verbesserten Triebwerken bzw. exotischen Triebwerken wie Ionen- oder Plasma Triebwerken mit 10  bis 20fach höheren Austrittsgeschwindigkeiten als bisher  einfach zu lang. Erst eine Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit (z.B. 20%) würden solche Reisen möglich machen. Dazu wären aber ungeheure Treibstoffmengen notwendig, die –  selbst  wenn es einen Fusionsreaktor mit der 100 fachen Leistung eines Kernreaktors einmal geben sollte –  nicht realistisch sind. Die „warp“ Geschwindigkeiten (Überlichtgeschwindigkeiten durch Raumverzerrungen) der Star-Trek Kapitäne Janeway oder Picard  werden wohl weiterhin Science Fiction  bleiben.

Mancher mag dennoch davon träumen, dass es in Zukunft einmal möglich sein wird, auch hier das Energieproblem zu lösen. Dann wären extrem hohe Geschwindigkeiten erreichbar. Die Fahrzeit zu Alpha-Centauri, unserem nächsten Stern, würde über 20 Jahre dauern, selbst bei einer angenommenen Geschwindigkeit von 200 Millionen km pro Stunde (fast 20% der Lichtgeschwindigkeit).

Solche Fahrten bergen natürlich ein hohes Maß an Risiko. Es gibt aber immer wieder welche, die sich dadurch nicht abschrecken lassen, was den Androiden Data, Crewmitglied von Picard, zu der Bemerkung veranlasste:

„Die menschliche Schwäche, Fahrzeuge mit gefährlichen Geschwindigkeiten zu steuern, wird mich wohl ewig verblüffen“.

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