WISSEN DER ZUKUNFT - Magazin Wissen TOPPX

Video: Paralleluniversen

Viele Kosmologen fasziniert die Idee, es gebe unzählige Paralleluniversen mit jeweils eigenen Naturgesetzen.

Seit einigen Jahren debattieren Theoretiker über eine kühne These: Außer dem Universum, das wir wahrnehmen, sollen noch ungezählte weitere Universen existieren. Es gäbe demnach nicht nur einen Kosmos, sondern ein Multiversum. Der amerikanische Physiker Brian Greene bezeichnet diese Vorstellung als “super-kopernikanische Revolution”, da ihr zufolge nicht nur unser Planet einer unter vielen ist, sondern sogar unser gesamtes Universum in kosmischem Maßstab nur eine unbedeutende Spielart möglicher Welten darstellt.

Theoretiker wie Greene oder der russisch-amerikanische Physiker Alexander Vilenkin postulieren völlig unterschiedliche Universen mit einer jeweils anderen Physik, mit einer eigenen Geschichte oder gar mit unterschiedlich vielen Raumdimensionen. Die meisten dieser hypothetischen Welten sind lebensfeindlich, doch einige wimmeln von Organismen. Vilenkin entwirft das dramatische Bild einer unendlichen Menge von Universen, in der unendlich viele Personen Ihren Namen tragen und gerade diese Zeilen lesen.

Wie kommen Kosmologen neuerdings allen Ernstes auf eine Idee, die zunächst wie pure Sciencefiction anmutet? weiter…

Fünf Firmen arbeiten derzeit daran, für die USA ein neues bemanntes Raumschiff zu entwickeln, das in einigen Jahren in eine niedrige Erdumlaufbahn und zur Internationalen Raumstation fliegen soll. Darüber berichtet Eugen Reichl, Mitarbeiter bei einem großen europäischen Luft- und Raumfahrtkonzern, in der Novemberausgabe von “Sterne und Weltraum”

Kleiner Raumgleiter

Die Arbeiten laufen mit finanzieller Unterstützung der US-Raumfahrtbehörde NASA im Rahmen des Programms CCDev. Das Kürzel steht für „Commercial Crew Development” und dient dazu, die kommerzielle Entwicklung und den Betrieb bemannter Raumfahrzeuge in niedrigen Erdumlaufbahnen in Gang zu bringen. Dazu stellt die NASA nur Startkapital zur Verfügung, um Privatunternehmen freie Hand bei der Umsetzung ihrer Ideen zu geben. Bei den geförderten Firmen wird aber erwartet, dass sie zusätzlich zu diesem staatlichen “Saatgeld” in erheblichem Umfang Eigenmittel einsetzen. Bewusst fördert die NASA hierbei völlig verschiedenartige Lösungsansätze, um die technologische Vielfalt zu erhöhen.

Derzeit stehen den USA und damit der gesamten westlichen Welt für mehrere Jahre kein eigenes Transportsystem zur Verfügung, mit dem sich vom eigenen Territorium aus die Internationale Raumstation erreichen ließe. Stattdessen nutzen die westlichen Raumfahrer hierfür die Raumkapsel Sojus, deren Flüge sich die russische Raumfahrtbehörde Roskosmos gut bezahlen lässt. weiter…

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Unter der Leitung des Berner Teilchenphysikers Antonio Ereditato hat eine internationale Forschungskollaboration im OPERA-Experiment am CERN Erstaunliches entdeckt: Neutrinos sind schneller unterwegs als das Licht, welches bisher die höchste existierende Geschwindigkeit war.

«Dieses Resultat ist eine komplette Überraschung», sagt Antonio Ereditato, Professor für Hochenergiephysik an der Universität Bern und Leiter des OPERA-Projekts: Die Teilchenphysiker haben im sogenannten OPERA-Experiment herausgefunden, dass Neutrinos, die unterirdisch vom CERN in Genf losgeschickt werden und nach einer 730 Kilometer langen Reise durch die Erde schliesslich ein Untergrund-Labor in den Bergen bei Rom erreichen, schneller unterwegs sind als das Licht. Dies teilt das CERN, das Europäische Laboratorium für Teilchenphysik, heute Freitag, 23. September 2011, mit. «Die Neutrinos sind signifikante 60 Nanosekunden schneller am Ziel, als man dies mit Lichtgeschwindigkeit erwarten würde», so der OPERA-Leiter. Eine Publikation der Daten folgt, und Antonio Ereditato stellt klar: «Dieses Ergebnis kann grosse Auswirkungen auf die geltende Physik haben - so gross, dass zurzeit eine Interpretation schwierig ist. Weitere Experimente für die Bestätigung dieser Daten müssen unbedingt folgen.»

Die Besonderheiten der Neutrinos

Neutrinos sind winzige Elementarteilchen, die Materie praktisch widerstandslos durchdringen. Ihre Spuren sind schwierig aufzuspüren, da sie nicht geladen sind und kaum mit ihrer Umgebung interagieren. Neutrinos kommen in drei verschiedenen Typen vor: Elektron-, Müon- und Tau-Neutrinos. Sie können sich auf einer langen Flugstrecke von einem Typ in einen anderen verwandeln. In der Elementarteilchenphysik wird diese Umwandlung «Neutrino-Oszillation» genannt.

Das OPERA-Projekt wurde 2006 gestartet, um die Umwandlung von verschiedenen Neutrino-Typen ineinander zu beweisen - was den Forschenden aus der Kollaboration von 13 Ländern auch gelang; letztes Jahr wurde die Verwandlung von Müon-Neutrinos in Tau-Neutrinos nachgewiesen.

Mit Atomuhren auf Nanosekunden genau

Die Daten, die im OPERA-Experiment in den letzten drei Jahren gesammelt wurden, weisen neben der Neutrino-Oszillation nun auch die Abweichung bei der erwarteten Geschwindigkeit der Kleinstteilchen nach: Eine aufwändige und hochpräzise Analyse von über 15′000 Neutrinos weist «die winzige, aber signifikante Differenz zur Lichtgeschwindigkeit nach», wie das CERN mitteilt. Die 60 Nanosekunden Zeitunterschied auf der Strecke CERN-Rom hat die OPERA-Kollaboration mit Expertinnen und Experten vom CERN sowie unter anderem mit Hilfe des nationalen Metrologieinstituts METAS in einer Hochpräzisions-Mess-Serie überprüft: Mit Hilfe von GPS und Atomuhren wurde die Flugdistanz auf 10 Zentimeter genau bestimmt und die Flugzeit auf 10 Milliardstel einer Sekunde - also auf Nanosekunden - genau gemessen. (Quelle: idw)

Buchtipp:
Supervereinigung: Wie aus nichts alles entsteht. Ansatz einer großen einheitlichen Feldtheorie

Der Saturnmond Enceladus ist verblüffend aktiv. Vor nicht allzu langer Zeit entdeckte man Hinweise auf einen Ozean unter seiner Kruste. Außerdem schleudern Eisgeysire in der Südpolregion Teilchen ins All. Dabei entkommen die schnellen Partikel der Anziehungskraft des Mondes, landen im E-Ring von Saturn und werden zum Großteil von Enceladus wieder eingesammelt; die langsameren Eisteilchen dagegen sorgen für leichten Schneefall in der Umgebung der Geysire. Das fanden Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik mit ihrem Staubdetektor an Bord der NASA/ESA-Raumsonde Cassini heraus. Dazu verglichen sie Modellrechnungen mit Messungen der Raumsonde (Icarus 206, 446-457, 2010).

Enceladus stößt Fontänen von mikroskopischen Eispartikeln und Wasserdampf aus, die den diffusen äußeren E-Ring um Saturn speisen. Durchflüge von oben nach unten durch diesen Ring ermöglichten Messungen seiner Dicke und Struktur. Das wichtigste Instrument war der Staubdetektor CDA des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik. “Die Daten lieferten unerwartete Details darüber, wie der Ring mit Material versorgt wird”, sagt Sascha Kempf. “Mit unseren Modellrechnungen und Simulationen konnten wir auch den Teilchenausstoß einzelner Eisgeysire ableiten.”

Sowohl die Produktionsraten der Eisgeysire als auch die dynamischen Eigenschaften der Eispartikel variieren erheblich. Die meisten der ausgestoßenen Teilchen werden von Enceladus während der folgenden zwei Umläufe um Saturn wieder eingesammelt, während die restlichen Teilchen vermutlich 50 bis 400 Jahre im Ring bleiben.

Bei ungefähr senkrechten Durchflügen durch den E-Ring fanden die Wissenschaftler auf den ersten Blick die erwartete glatte Glockenkurve für die Verteilung der Teilchen mit dem Maximum in der Mitte und Ausdünnen nach oben und unten. Unerwartete Spitzen in der Verteilung - vor allem in der Nähe von Enceladus - erwiesen sich bei genauerer Untersuchung nicht etwa als statistische Fluktuationen, sondern als echt: Sie spiegeln den Teilchenausstoß einzelner Eisgeysire wider. Die Aktivität jedes einzelnen Geysirs ist in der vertikalen Struktur des Rings abgebildet. Die Stärke der Spitzen zeigt, dass einige Geysire mehr ausstoßen als andere; dadurch verraten sich ihre Auswürfe auch noch in großer Entfernung.

Die Berechnungen der Teilchenflugbahnen ergaben, dass größere Partikel mit Durchmessern über 0,7 Mikrometer (tausendstel Millimeter) nur dauerhaft von Enceladus in den E-Ring entkommen können, wenn sie deutlich schneller sind als 207 Meter pro Sekunde - der Fluchtgeschwindigkeit von der Enceladusoberfläche. Dagegen werden kleinere Teilchen von den elektromagnetischen Kräften im rotierenden Magnetfeld des Saturns mitgerissen und können auf diese Weise leichter von Enceladus entkommen; dort vorhandene Ionen laden die zunächst neutralen Teilchen auf.

Das Modell liefert auch Aussagen darüber, wo und wie viel des Auswurfmaterials der Eisgeysire als “Schneefall” auf der Enceladusoberfläche niedergeht: Unabhängig von ihrer Größe landen die meisten Eispartikel in unmittelbarer Nähe der Schlote in der sogenannten Tigerstreifenregion im Südpolargebiet. Dort wächst die Schneedecke jährlich allerdings nur um einen halben Millimeter.

Frühere optische Messungen der Raumsonde Cassini ergaben, dass die Eiskörnchen auf der Enceladusoberfläche am Südpol erheblich größer sind als die von den Geysiren ausgestoßenen Teilchen. Außerdem nimmt ihre Größe mit zunehmendem Abstand von den Tigerstreifen ab. Das lässt sich durch physikalische Vorgänge auf der Oberfläche erklären: Kleine Körnchen wachsen durch Umkristallisieren oder Zusammenbacken unter dem Einfluss lokaler Wärme; andererseits schlagen Mikrometeoriten Körner aus der Eisoberfläche.

Weitere Messungen bei Durchflügen durch den E-Ring und nahen Vorbeiflügen an Enceladus während der verlängerten Cassini-Mission sollen den Forschern helfen, mögliche Variationen in der Aktivität der Eisgeysire zu entdecken. Sie schlagen vor, mit den Kameras und Spektrometern die Farben der einzelnen Fontänen zu analysieren, um die Größenverteilung der Eispartikel darin zu bestimmen. Quelle: idw, Foto:

(pug) Ein internationales Team von Wissenschaftlern der Universität Göttingen, des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und der University of California in Santa Cruz hat erstmals bei einer sogenannten Super-Erde die Struktur ihrer Atmosphäre untersuchen können. Die Forscher beobachteten den erst vor knapp einem Jahr entdeckten Planeten GJ 1214b, der außerhalb unseres Sonnensystems liegt und nur wenig größer als unsere Erde ist. „Dies ist die erste Super-Erde, bei der eine Atmosphäre nachgewiesen und untersucht wurde. Wir haben einen echten Meilenstein auf dem Weg zu einer Charakterisierung dieser Welten erreicht“, so der Leiter der Studie Dr. Jacob Bean.

Als Super-Erde bezeichnen Astronomen Planeten, die bis zu dreimal so groß wie die Erde sind und die ein- bis zehnfache Masse haben können. Man nimmt an, dass Super-Erden ein überwiegend festes Inneres haben und womöglich aus einem Gemisch aus Fels und Eis bestehen. Bislang sind erst sehr wenige von ihnen bekannt, besonders im Vergleich zu den sogenannten Gasriesen, die mittlerweile zu hunderten in Umlaufbahnen um ferne Sterne entdeckt worden sind. GJ 1214b ist 2,7-mal so groß und 6,5-mal so massereich wie unsere Erde.

Um seine Atmosphäre nachzuweisen, beobachteten die Astronomen den Planeten, während er vor seinem Zentralstern vorbeizog. Dabei leuchtet das Licht des Sterns aus unserer Perspektive den Planeten „von hinten“ an, wodurch die Atmosphäre, die den Planeten umgibt, sichtbar wird. Das Licht scheint durch die Atmosphäre des Planeten hindurch, die gasförmigen Bestandteile der Atmosphäre absorbieren das Licht bei charakteristischen Wellenlängen und das so beobachtbare Spektrum kann als „chemischer Fingerabdruck“ interpretiert werden. Mit vergleichbaren Beobachtungen konnten zuvor schon Gase wie Wasserstoff, Methan und Natriumdampf in den Atmosphären ferner „heißer Jupiter“ nachgewiesen werden.

Die genaue chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist bislang noch unklar. Die deutschen und amerikanischen Wissenschaftler beobachteten die Super-Erde mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile im nahinfraroten Spektralbereich. Ob die Atmosphäre des Planeten eher dampf- oder eher gasreich ist, könnten weitere Beobachtungen im langwelligen Infrarotbereich klären. Die neuen Beobachtungen schließen allerdings aus, dass der Planet von einer wolkenlosen wasserstoffreichen Atmosphäre umgeben ist. Bestünde die Atmosphäre von GJ 1214b überwiegend aus Wasserstoff, müsste sie wie auf der Venus von einer dichten Wolkendecke oder wie auf dem Saturnmond Titan von einem hochgelegenen Schleier von Aerosolen verhüllt sein.

Die Daten ließen sich aber auch durch eine weit dichtere Gashülle mit einem hohen Anteil schwerer Gase erklären. „Mit den aktuellen Beobachtungen können wir noch nicht sicher entscheiden, von welcher genauen Beschaffenheit diese Atmosphäre ist. Aber sie zeigen sicher, dass sie sich von allen bisher beobachteten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems unterscheidet“, erläutert Dr. Derek Homeier von der Universität Göttingen. „Sie könnte der Uratmosphäre unserer Erde weit ähnlicher sein, oder auch auf eine wasserreiche Welt mit einer Hülle aus Wasserdampf hinweisen.“ Und Dr. Bean ergänzt: „Eine solche Atmosphäre müsste zu mindestens einem Fünftel aus Wasserdampf bestehen. Damit würde sie sich sehr von unserer Erdatmosphäre unterscheiden, die aus vier Fünfteln Stickstoff und einem Fünftel Sauerstoff besteht, mit nur kleinen Spuren von Wasserdampf. Etwas Vergleichbares existiert in unserem Sonnensystem nicht.“ (Quelle: idw, Foto: Die Super-Erde GJ 1214b (vorne links) zieht vor ihrem Zentralstern vorbei - Paul A. Kempton). Originalveröffentlichung: Jacob Bean et al. A ground-based transmission spectrum of the super-Earth exoplanet GJ 1214b. Nature. DOI: 10-1038/nature09596

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]