WISSEN DER ZUKUNFT - Magazin Wissen TOPPX

Das kosmologische Standardmodell auf dem Prüfstand
Die meisten Astrophysiker und Kosmologen gehen davon aus, dass die so genannte Dunkle Materie den weitaus größten Teil der Materie im Universum stellt. “Normale” Materie, aus der Galaxien ebenso wie Planeten und auch Menschen bestehen, wäre demzufolge relativ selten. Doch es gibt ein Problem: Bislang konnte keines der zahlreichen Experimente, die weltweit nach Dunkle-Materie-Teilchen fahnden, diese auch nachweisen. Existiert die Dunkle Materie vielleicht doch nicht?
In der August-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft berichten die Astrophysiker Pavel Kroupa und Marcel Pawlowski von der Universität Bonn über ihre Forschung an Zwerggalaxien in unserer kosmischen Nachbarschaft. Solche kleinen Galaxien sollten sich gemäß dem kosmologischen Standardmodell, in dem die Dunkle Materie eine der zentralen Rollen spielt, inmitten großräumiger Ansammlungen von Dunkler Materie bilden.
Doch nun ist Kroupas Team, das seine Arbeit jüngst im angesehenen Wissenschaftsjournal “Astronomy and Astrophysics” publiziert hat, auf eine ganze Reihe von Widersprüchen gestoßen. Das Standardmodell sagt beispielsweise voraus, dass die unsere Milchstraße umkreisenden kleinen Satellitengalaxien rein zufällig in deren Umgebung verteilt sein sollten. Stattdessen bilden sie aber eine Art Scheibe, ihre Anordnung folgt also einer klaren Struktur. Auch sagen Simulationen weit mehr Satellitengalaxien vorher, als tatsächlich gefunden wurden. Und schließlich sollten die Satellitengalaxien dem Modell zufolge umso leuchtkräftiger sein, je mehr Dunkle Materie sie enthalten - dies bestätigen die Beobachtungen aber ebenfalls nicht. Im Rahmen der populären Dunklen-Materie Hypothese scheint es keine Lösungen zu diesen Problemen zu geben.
Für die Existenz der rätselhaften Materieform führen die Astronomen zwar gute Gründe an. Beobachtungen von Scheibengalaxien belegen, dass Sterne in deren Außenbereichen schneller um das Zentrum der Galaxien rotieren, als es das newtonsche Gravitationsgesetz vorhersagt. Infolge der dabei entstehenden Fliehkräfte müssten die Galaxien sogar in kürzester Zeit auseinanderfliegen. Erklären lässt sich dieses Rätsel bislang nur, wenn man annimmt, dass die Sternsysteme über wesentlich mehr Masse verfügen als wir beobachten. Diese Masse soll darum von Teilchen beigesteuert werden, die sich praktisch nur durch ihre Schwerkraftwirkung bemerkbar machen, aber kein Licht aussenden - weshalb sie als “dunkle” Materie bezeichnet werden.
Doch mit der Annahme dunkler Materie gerät man nun offenbar an anderer Stelle in große Widersprüche. Gibt es denn eine Alternative? Kroupa und Pawlowski zufolgen richten immer mehr Forscher ihre Hoffnungen auf die so genannte Modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) und ihre Varianten. Zwar ist das Newtonsche Gravitationsgesetz in gewissen Bereichen hervorragend bestätigt. Doch auf der Skala ganzer Galaxien konnte es noch nicht überprüft werden. Möglicherweise, so die Autoren, ist die Schwerkraft auf einer solchen Skala um ein weniges stärker als bislang gedacht. Denn dann ließe sich auch ohne die Annahme Dunkler Materie erklären, warum sich Sterne in den Außenbezirken von Galaxien so schnell bewegen.
“Der Ursprung dieser winzigen Abweichung könnte nach unserer Sicht möglicherweise in quantenmechanischen Prozessen liegen, die sich in der Raumzeit abspielen”, schreiben die Autoren, “oder in der Existenz zusätzlicher, noch unbekannter Felder.” Diese könnten die von Massen verursachten Störungen der Raumzeit weiter tragen, als dies die herkömmliche Theorie voraussagt. Aber auch andere Erklärungen seien denkbar.
Neue Erkenntnisse über die Satellitengalaxien der Milchstraße und anderer Galaxien in der kosmischen Nachbarschaft erhoffen sich die Forscher nun von der GAIA-Satellitenmission der Europäischen Weltraumagentur und vom australischen “Stromlo Milky Way Satellites Survey”. Sie könnten für spannende Erkenntnisse sorgen, schreiben die Bonner Forscher: “Noch ist nichts entschieden, eins aber ist schon jetzt sicher: Die wahre Geschichte des Universums muss erst noch geschrieben werden.”
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2010

Abbildung oben
Zwerggalaxien

© NASA / ESA, H. Ford (JHU), G. Illingworth (UCSC / LO ), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI) und das ACS Science Team]

Wissenschaftler aus Europa, Israel und den USA entwickeln Roboterratten, die bei Rettungsmissionen und Planetenforschung helfen können. Auf der Grundlage der Prinzipien des aktiven Abtastens, das im Tierreich weit verbreitet ist, hat das multinationale Team innovative Tasttechnologien entwickelt, einschließlich der ‘Schnurrhaare’ an Roboterratten.

Welches Geheimnis verbirgt sich hinter den Schnurrhaaren? Warum ist der Tastsinn der Schnurrhaare so viel effizienter als die Fingerspitzen einer durchschnittlichen Person? Nachttiere haben einen ausgeprägten Tastsinn, den sie weit mehr als ihr Sehvermögen einsetzen, um die physischen Informationen in ihrer Umgebung kennenzulernen und aufzunehmen. Zu diesen Tieren zählt beispielsweise die Ratte. Mehrere Gruppen des internationalen Forschungsteams testen die Art und Weise, in der Ratten ihre borstigen Schnurrhaare benutzen, um ihre Umgebung zu erkunden und wie das Gehirn die gesammelten Informationen verarbeitet.

Die Wahrnehmung beginnt in den Neuronen an der Basis der Schnurrhaare, die dann umgehend Signale an das Gehirn übermitteln. Darüber hinaus haben die Experimente gezeigt, dass die Art und Weise wie die Ratte ihre Schnurrhaare einsetzt, vom Kontext abhängig ist.

Der scheinbar einfache Akt des Abtastens eines dreidimensionalen Objekts benötigt drei verschiedene Arten von Codes, wobei jeder Code eine andere Information enthält - die Horizontale, die Vertikale und die Radiale (die Entfernung von der Basis der Schnurrhaare). Je näher sich ein Objekt an der Schnauze befindet, desto höher die Anzahl der Neuroübermittlungen.

Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es einerseits, ein besseres Verständnis des Gehirns zu erzielen, und andererseits die Technologie voranzubringen. Damit gemeint ist, dass Forscher Roboter als experimentelle Werkzeuge einsetzen, indem die Wissenschaftler Schritt für Schritt ein System aufbauen, das dem Gehirn ähnelt. Aus diesem Grund wird biologisches Wissen den Robotikwissenschaftlern ermöglichen effizientere Maschinen zu bauen, damit sie dann in Rettungs- und auch in Suchmissionen unter schlechten Sichtbedingungen eingesetzt werden können. So könnte die grundlegende Erforschung von Tieren zum Wohl des Menschen beitragen. (Quelle: idw, Abb. Roboterratte (c) Weizmann Institute of Science)

Der Chefdirigent im Gehirn schläft nie

Vom genauen Mechanismus hängt es ab, wie gut wir das Verhalten unseres Universums verstehen
Manche Sterne beenden ihr Dasein mit einem enormen Knall: Binnen Stunden steigern sie ihre Helligkeit um das Millionen- oder gar Milliardenfache und leuchten für einige Tage so hell wie eine ganze Galaxie. Astronomen entdecken jedes Jahr mehrere hundert solcher Supernovae, die zumeist in entlegenen Winkeln des Universums aufleuchten.

Supernovae künden aber nicht nur vom gewaltsamen Ende eines Sterns, sondern erweisen sich auch als wichtige Hilfsmittel für die Vermessung des Weltalls. Denn ein spezieller Typ dieser Sternexplosionen, genannt Ia, erreicht stets die gleiche Maximalhelligkeit. Gelingt es, dieses Maximum zu beobachten, dann folgt aus der gemessenen Helligkeit der Supernova direkt ihre Entfernung. Denn so, wie der fernere zweier gleich heller Autoscheinwerfer einem Beobachter lichtschwächer erscheint, verhält es sich auch mit Supernovae: Je größer ihre Distanz zur Erde ist, umso weniger hell erscheinen sie.

Die Entfernungsbestimmung mit Supernovae vom Typ Ia klappt so gut, dass sie sich als Maßstab oder Standardkerze zur Auslotung des Universums verwenden lassen. Seit rund achtzig Jahren ist bekannt, dass sich das Weltall ausdehnt. Aber erst vor wenigen Jahren fanden die Astronomen heraus, dass sich diese Ausdehnung sogar beschleunigt– ein Befund, der sich anhand der Distanzen der Supernovae vom Typ Ia ergab. Um diese Beschleunigung zu erklären, mussten die Wissenschaftler die Existenz einer ominösen »Dunklen Energie« annehmen, die das Universum beschleunigt auseinandertreibt.

Wegen der kosmologischen Bedeutung dieses Supernova-Typs interessieren sich die Astronomen für die Ursachen und den Ablauf der Sternexplosionen. Zwei Arten von Explosionen sind bekannt, in denen jeweils so genannte Weiße Zwerge eine Rolle spielen. Weiße Zwerge bilden das Endstadium verbrauchter Sterne ähnlich unserer Sonne. Bei der einen Art saugt ein Weißer Zwerg Materie von seinem Partnerstern ab. Er macht dies solange, bis er sich gewissermaßen überfressen hat und er von einer thermonuklearen Explosion zerrissen wird. Dies passiert stets mit der gleichen Maximalhelligkeit. Bei der anderen Art bilden zwei Weiße Zwerge ein Doppelsternpaar und verschmelzen schließlich, wobei es ebenfalls zur Supernovaexplosion kommt. Hier hängt die Maximalhelligkeit von der jeweiligen Masse der Weißen Zwerge ab. Die Astronomen besaßen Hinweise darauf, dass die erste Art deutlich häufiger vorkommt und sich Supernovae vom Typ Ia deshalb als Standardkerzen verwenden lassen.

Neue Untersuchungen von Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching bei München belegen nun, dass nur fünf Prozent aller Supernovaexplosionen vom Typ Ia in elliptischen Galaxien auf Materie aufsammelnde Weiße Zwerge zurückgehen. Offenbar geht der größte Teil der gewaltigen Sternexplosionen auf die Vereinigung zweier Weißer Zwerge zurück, wie der Physiker Jan Hattenbach im aktuellen Mai-Heft der Zeitschrift “Sterne und Weltraum” berichtet. Dieser Befund schränkt allerdings die Verwendung der Supernovae vom Typ Ia als Standardkerzen ein. Denn nun erwarten die Astronomen, dass die Maximalhelligkeiten wegen der unterschiedlichen Massen der Weißen Zwerge bei ihrer Verschmelzung unterschiedlich ausfallen. Spannend ist jetzt, wie sich diese Erkenntnis auf die Messung der beschleunigten Expansion des Raums auswirkt. Quelle: Sterne und Weltraum, Mai 2010 - Bild: Zwei weiße Zwerge, die sich zunehmend enger umkreisen, verschmelzen schließlich was eine Supernova-Explosion zur Folge hat. (c) NASA / Tod Strohmayer, GSFC / Dana Berry, Chandra X-Ray Observatory

Bis vor kurzem war es noch gängige Meinung, dass es einen direkten Zusammenhang zwischen globaler Erwärmung und einer Zunahme von Naturkatastrophen gäbe. Dann wurden Mängel im Statusbericht des Weltklimarates (IPPC, 2007) aufgedeckt. Was gilt jetzt?

Sind Stürme, Überschwemmungen, Flutwellen, Unwetter und Dürren womöglich gar nicht auf einen Klimawandel zurückzuführen? Rat und Aufklärung verspricht der „Master of Disaster“ (Meister der Katastrophen), wie Gerhard Berz, der Chef der Georisikoforschung eines großen Rückversicherers von der Zeitschrift Focus genannt wurde. Sein aktuell im Februar 2010 erschienenes Buch mit dem Titel „Wie aus heiterem Himmel?“ behandelt das Thema der Naturkatastrophen unter dem Gesichtspunkt, was uns erwartet und wie wir vorsorgen können.

„Wenn es so weitergeht, geht es bald nicht mehr weiter“, betitelt Berz ein Kapitel in der zweiten Buchhälfte, in der er die Versicherungsstatistik der 60er Jahre über große Naturkatastrophen mit der des Jahrzehnts zwischen 1999 und 2008 vergleicht. Demnach hat sich die jährliche Zahl großer Naturkatastrophen nahezu verdoppelt. Ist diese dramatische Zunahme tatsächlich auf einen menschengemachten Klimawandel zurückzuführen?

Berz ist allerdings zu sehr Kenner der Materie, als dass er die minimalen Klimaschwankungen innerhalb von 50 Jahren als Hauptursache ansehen würde. Er listet vielmehr acht Gründe auf. Der erste Grund ist die Bevölkerungszunahme. Klimawandel als Grund für die Zunahme von Naturkatastrophen erscheint dagegen an letzter Stelle.

Als Leser frage ich mich unwillkürlich: Wie kann die Bevölkerungszunahme seit den 60er Jahren, immerhin auf das Dreifache ihres ursprünglichen Werts, der Grund für Naturkatastrophen sein? Es ist kaum denkbar, dass das Erdbeben von Haiti mit Hunderttausenden Toten oder das kürzliche Beben in Chile mit anschließendem Tsunami von einer wachsenden Erdbevölkerung ausgelöst wurde. Auch der Hurrikan 2005, der New Orleans verwüstete, wird wohl kaum seine Ursache in der Fruchtbarkeit der Bevölkerung haben.

Berz erklärt zunächst systematisch alle vorkommenden Extremereignisse der Natur. Beispielsweise hängen neunzig Prozent aller Erdbeben mit den Bewegungen der Erdkruste zusammen. Die Kontinentalplatten verschieben sich permanent, weil sie auf einem heißen zähflüssigen Erdinneren schwimmen. Wenn zwei Platten aneinander reiben, geht das nicht ohne Beben ab. Für die Natur ist das keine Katastrophe, sondern ein gewöhnlicher Vorgang: „Die Natur kennt keine Katastrophen“ (Max Frisch).

Berz überrascht in einem späteren Kapitel den Leser, wenn auch eher unbeabsichtigt. Die Überraschung hängt mit der Definition des Begriffs „Große Katastrophen“ zusammen. So werden nämlich Ereignisse bezeichnet, welche die Selbsthilfefähigkeit der betroffenen Region deutlich übersteigen. Dazu müssen zwei Dinge zusammenkommen. Erstens müssen Menschen von dem Ereignis betroffen sein und zweitens muss es deren Selbsthilfefähigkeit weit übersteigen. Eine verheerende Überschwemmung in der Sahara, bei der keine Menschen betroffen sind, ist demnach keine große Naturkatastrophe.

Als aufmerksamer Leser wundere ich mich nun, dass sich die Zahl der großen Naturkatastrophen seit den 60er Jahren nur verdoppelt hat, während die Weltbevölkerung bekanntlich auf das Dreifache anstieg. Wegen des Zusammenhangs zwischen der betroffenen Bevölkerungszahl und der Definition großer Katastrophen hätte eigentlich auch die Zahl der Menschen, deren Selbsthilfefähigkeit deutlich übertroffen wird, auf das Dreifache steigen müssen. So macht es fast den Eindruck, als habe die absolute Zahl an Extremereignissen eher abgenommen. Berz löst zwar nicht das Paradoxon, aber mithilfe der gegebenen Information kommt man als Leser selbst auf die Lösung.

Die absolute Schadenszunahme hängt einerseits mit den immer ausgedehnteren und zahlreicheren Großstadtregionen zusammen, die von Extremereignissen betroffen werden. Andererseits müssen aber die Vorsorgemaßnahmen gegen die Naturkatastrophen zugenommen haben und zwar noch mehr als die Zunahme der Schäden.

Das Treffen von Vorsorgemaßnahmen ist ein wichtiges Anliegen von Berz. Zu jeder beschriebenen Katastrophenart schildert er, wie man Katastrophen entweder vermeidet, und wenn das nicht möglich ist, durch vorbeugende Maßnahmen zumindest soweit abmildern kann, sodass selbst bei Eintritt eines Extremereignisses nicht mehr von einer großen Naturkatastrophe die Rede sein kann.

Es sind keineswegs die extrem kostenträchtigen und kaum wirksamen Maßnahmen gegen CO2-Emissionen, welche der Vorsorge gegen große Naturkatastrophen dienen. Es sind einfache und direkt wirksame Maßnahmen, wie die folgenden Beispiele zeigen.

Die Kölner Altstadt wird durch mobile Schutzwände gegen Überschwemmungen des Rheins geschützt. Die Kosten betragen nur einen Bruchteil der sonst möglichen Schäden. Gegen Tsunamis kann man Warn- und Kommunikationssysteme aufbauen: Es braucht keine Hunderttausende Tote zu geben. In Bangladesh dienen Betonschutzbauten auf Stelzen zur Vorsorge gegen Killer-Zyklonen. Die Einhaltung und Kontrolle spezieller Bauvorschriften verhindert ein Erdbebeninferno. Ein gutes Warnsystem kann dafür sorgen, dass wertvolle bewegliche Gegenstände vor einem drohenden Extremereignis in Sicherheit gebracht werden. Mögliche Schäden an unbeweglichen Gütern brauchen deshalb nicht zum völligen Ruin des Geschädigten zu führen.

Die Klimamärchen des Weltklimarats haben uns lange den Blick getrübt für wirklich sinnvolle Vorsorgemaßnahmen gegen große Naturkatastrophen. Berz öffnet uns mit seinem Buch die Augen und zählt auf, wie wir zwar nicht Extremereignisse, aber doch große Naturkatastrophen mit relativ einfachen und wirksamen Mitteln weitgehend verhindern können. - Klaus-Dieter Sedlacek - Bild: Flut cc-by-sa Joy Garnett (archive)(flickr)

Am Übergang von der Kreidezeit zum Tertiär vor 65 Millionen Jahren vollzog sich eines der größten Massenaussterben der Erdgeschichte, das auch das Zeitalter der Dinosaurier beendete. Als Ursache gilt ein großer Meteoriteneinschlag in Mexiko, der Chicxulub-Impakt, der in der Wissenschaft sehr kontroversiell diskutiert wurde. Eine internationale Gruppe von WissenschafterInnen, darunter Christian Koeberl von der Universität Wien, veröffentlicht nun im renommierten Fachmagazin “Science” neue Forschungsergebnisse. Diese zeigen, dass das Aussterben der Dinosaurier genau mit dem Chicxulub-Impakt begann.

Lange Zeit war die Ursache für das Aussterben von mehr als zwei Drittel aller Arten - darunter allen Dinosauriern - am Ende der Kreidezeit eine der wichtigsten offenen Fragen in den Geowissenschaften. Seit 30 Jahren gibt es stichaltige Belege für einen Meteoriteneinschlag als Ursache, seit 20 Jahren ist auch der zugehörigen Krater bekannt: Der 200 km große Chicxulub-Krater in Mexiko.

Trotzdem wurde die Impakttheorie von Anfang an auch angezweifelt und alternative Ursachen wie z.B. Vulkanismus für das Aussterben diskutiert. Der größte Widerspruch kam vor einigen Jahren aus Princeton: Anhand von Untersuchungen im und um den Chicxulub-Krater postulierten die WissenschafterInnen, dass der Impakt 300.000 Jahre zu früh aufgetreten wäre, um für das Artensterben verantwortlich zu sein.

Millionenfach größere Energie als Atombombe

Um diese Zweifel auszuräumen, hat nun ein Team aus mehr als 40 WissenschafterInnen aus Europa, den USA, Mexiko, Kanada, und Japan unter Leitung des Geologen Peter Schulte von der Universität Erlangen-Nürnberg die neuesten Daten analysiert und relevante Studien ausgewertet. Von der Universität Wien sind Christian Koeberl, Professor für Impaktforschung und Planetare Geologie und Leiter des Departments für Lithosphärenforschung (sowie designierter Generaldirektor des Naturhistorischen Museums in Wien) und seine Mitarbeiterin Tamara Goldin (FWF-Postdoc) an der Studie beteiligt. In einer Veröffentlichung im Wissenschaftsmagazin “Science” legen sie dar, dass nur der Chicxulub-Impakt das Massensterben vollständig erklären kann.

Die Studie widerlegt die von Princeton postulierte zeitliche Lücke von 300.000 Jahren. Modelle des Chicxulub-Impakts zeigen, dass die bei diesem Ereignis freigesetzte Energie jene der größten jemals getesteten Atombombe millionenfach übertrifft. Ein Einschlag dieser Größe löste gewaltige Erdbeben aus, die riesige Rutschungen und Tsunamis im heutigen Golf von Mexiko zur Folge hatten und dort zu chaotischen Gesteinsabfolgen führten. “Somit sind die Gesteinsschichten direkt im Bereich von Chicxulub sicherlich am wenigsten geeignet, um die genaue Reihenfolge der Ereignisse vor 65 Millionen Jahren aufzuklären”, so Christian Koeberl.

Abkühlung und Dunkelheit führten zum Massensterben

Der Chicxulub-Impakt hatte damit globale ökologische Konsequenzen. Mehrjährige Abkühlung und Dunkelheit führten zum selektiven Artensterben. Das Massenaussterben am Ende der Kreidezeit beeinträchtigte Land und Meer gleichermaßen, war aber besonders für Organismen mit einem hohem Nahrungsbedarf, wie zum Beispiel für Dinosaurier, katastrophal. (Quelle: idw)