Sind wir allein im Universum?

 Diese Frage beantwortet KP Haupt in einem Vortrag am So, 7.8. um 17.00 Uhr im FutureSpace in Kassel. Man kann aber auch online zuschauen:

https://youtu.be/LgDuJA7IaXc

Mottenkugeln und Weihrauch in Kometenkernen....

 umgeben von Mandelaroma...

Nicht ganz ernstgemeint, der Titel.

Aber:

Es gibt neue Erkenntnisse vom Kometen Tschuri, der in 6,4 Jahren die Sonne umrundet.

Dieser etwa 4 km große Eis-Geröll-Haufen wurde zwischen 2014 und 2016 von der europäischen Raumsonde Rosetta begleitet, die am 12.11.2014 auch einen Lander dort absetzte.

Kometen sind Überbleibsel von der Entstehungsphase unseres Planetensystems, sehr wahrscheinlich Bausteine der späteren Planeten.

Sie enthalten viel Wassereis und eine Unmenge komplexer organischer Moleküle, die sehr wahrscheinlich als Grundbausteine des Lebens von Kometen auf die Erde gelangt sind.

Während der Komet in Sonnennähe war, heizte er sich stärker auf und setzte ein große Menge an Staub und Molekülen frei.

Diese Moleküle konnten an Bord von Rosetta mit einem hochauflösenden Massenspektrometer analysiert werden.

Forschende der Universität Bern unter Leitung von Nora Hänni haben jetzt die Ergebnisse veröffentlicht:

Es wurde Naphthalin gefunden, das für den charakteristischen Geruch von Mottenkugeln verantwortlich ist. Benzoesäure kommt im Weihrauch vor und Benz­aldehyd verleiht Lebensmittel ein Mandelaroma.

Formamid ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Herstellung von Aminosäuren.

Die chemische Zusammensetzung gleicht derjenigen anderer Himmelskörper im Sonnensystem. Wir können also von einer gemeinsamen Ursache ausgehen und immer mehr Forschende sehen Kometenkerne als notwendige Vorstufen bei der Bildung von Leben auf der Erde an.

Über die Entdeckung von Phosphor auf Tschuri habe ich hie rim Blog am 15.1.2020 berichtet:

https://astronomiekassel.blogspot.com/2020/01/breaking-news-wie-kommen-die-bausteine.html

Phosphor auf Tschuri

Bild 1: Der Kometenkern von Rosetta aus gesehen (ESA)

Bild 2: Nahaufnahme der Oberfläche (ESA)

Bild 3: Moleküle mit Kohlenstoff, die am 3.8.2015 mit dem Massenspektrometer identifiziert wurden.

a) reine CH-Verbindungen

Verbindungen mit Sauerstoff (b), Stickstoff (c), Schwefel (d), NO (e) und OS (d)

Bild 4: Liste aller Moleküle, die am 3.8.2015 identifiziert wurden.

Bild 3 und 4: N.Hänni et al, Nature Communications

Kometenkerne setzen Staub frei und über Sternenstaub im Weltall spricht Prof. Dr. T. Giesen vom Institut für Laborastrophysik der Universität Kassel am Dienstag um 15.00 Uhr im FutureSpace.

Breaking News: So fängt Leben an....

 Embargo bis Dienstag, 9.00 Uhr

Ein Masterstudent aus Leiden (Nashanty Brunken) veröffentlicht heute, zusammen mit anderen Forschenden, in astronomy&astrophysics einen recht bedeutsamen Artikel:

Das bisher größte Molekül in einer protoplanetaren Scheibe konnte mit dem Mikrowelleninterferometer ALMA in Chile in der Gasphase beobachtet werden.

Es geht um den 444 Lichtjahre entfernten jungen Stern IRS 48 im Sternbild Schlangenträger (beachte das ZOOM-In Video).

Er ist von einer Scheibe aus Gasen, Staub und Eis umgeben, meist sind es Mikrometer große Staubkörner. Im unteren Bereich scheinen die Staubkörner schon verschmolzen zu sein und zu mm großen Objekten angewachsen zu sein. Aus diesem Bereich kommen auch Signale vieler organischer Moleküle, die durch die Sternstrahlung wohl aus der Eiskruste um die Staubteilchen herum verdampft sind:

H2CO Formaldehyd

CH3OH Methanol

CH3OCH3  Di-Methyl-Äther

Das einfachere CO-Molekül dagegen wird in der gesamten Scheibe nachgewiesen.

Mit 9 Atomen ist Di-Methyl-Äther das bisher größte Molekül, das man in einer protoplanetaren Scheibe gefunden hat. Es dient als Baustein für komplexere Lebensmoleküle, wie Aminosäuren und Zucker.

Bild 1: Mikrowellensignale aus der protoplanetaren Scheibe

Bild 2: Mikrowellensignale von vier verschiedenen Molekülen

Bild 3: Künstlerische Darstellung von Scheibe und Molekülen

Video 1: So stellt man sich das Innere der Scheibe vor

Video 2: ZOOM-In Video

credit: ESO/Calcada/ALMA

Morgengruß mit Venus und Erinnerung an den Krieg

 Ich wollte einfach nur die schöne Morgendämmerung mit Venus aufnehmen: Do, 3.3., 6.36 Uhr.

Normalerweise hätte ich die Tankstelle unten abgeschnitten...sie stört so ein bisschen den romantischen Blick.

Dann habe ich aber auf die Preisangaben gesehen...und schon war ich zurück in der Realität.

In der Ukraine tobt ein Angriffskrieg, von Putin und seinem Gefolge angezettelt. Tausende von Menschen werden getötet, wahrscheinlich Millionen obdachlos gemacht.

Ein Krieg, der zeigt, das wir alle noch nicht bereit sind, uns um die Zukunft des ganzen Planeten zu kümmern.

Eine Folge hier in Deutschland: Die Benzinpreise sind deutlich hoch gegangen...ich tanke nur etwa einmal im Monat, ich meine es sind so 30 Cent gewesen.

Gegen das unendliche Leid, dass Putin anderen Menschen zuführt, sind die steigenden Benzinpreise nur ein unendlich kleiner Side-Effekt...aber dieses Bild wird mich daran erinnern: an die Diskrepanz zwischen der Schönheit der Natur und der Dummheit von Menschen, die diese bewohnen dürfen...

Wieder Freitag live von der Sternwarte auf dem SFN

 Dieses Mal  streame ich wegen Corona von mir zu Hause.

Es geht neben einem kurzen Überblick zum Sternenhimmel im Februar hauptsächlich zu neuesten Erkenntnissen des Ursprungs der Wasserfontänen auf dem Saturnmond Enceladus.

20.00 Uhr am Fr, 4.2. live unter

www.sfn-kassel.de/live

Und es gibt eine Neuerung: Gegen Ende geben wir einen ZOOM-Link bekannt, unter dem man sich zuschalten kann und direkt mit uns reden kann (auch ohne Bild)

Gibt es einen Sinn im Kosmos?

 Darüber und über weitere Fragen zur Kosmologie und Philosophie spreche ich mit Jason (16), Mark (19), Tereza (16) und Johannes (13), ab sofort im SFN-YouTube Kanal zu sehen:

https://youtu.be/PrnVzY9pblM

Und wer noch etwas über das Jahrzehnte ungelöste solare Neutrinoproblem und dessen Lösung erfahren möchte, kann sich in den Donnerstagsvortrag einklinken:

https://youtu.be/-NNvMc-vTjU

Am 31.12. um 20.00 Uhr startet unter sfn-kassel.de/live das nächste Gespräch.

Unser Freitagsangebot: Sternwarte auf dem SFN live

 Am Fr, 17.12. gibt es um 20.00 Uhr wieder einen Vortrag.

Die Beobachtungen fallen aus, selbst wenn das Wetter mitspielt, da wir diesen Vortrag direkt live von der Weihnachtsfeier des SFN aus dem FutureSpace in der Wilhelmsstr.2 übertragen.

Der Online Zugang wie immer: www.sfn-kassel.de/live

Thema: Ein nicht so ganz christlicher Blick auf das Weihnachtsfest...

Referent: KP Haupt

Europa hat Wasserdampfatmosphäre

 Erst vor kurzem wurde durch die Untersuchungen des Hubble Space Teleskops HST eine Wasserdampfatmosphäre auf Ganymed nachgewiesen.

Ermutigt davon wurden nun spektroskopische Untersuchungen des HST aus den Jahren 1999 - 2015 erneut ausgewertet.

Auch Europa hat eine permanente Wasserdampfatmosphäre.

Der Jupitermond hat an der -170°C kalten Oberfläche eine dicke Eisschicht unter der sich ein warmer Ozean befinden muss. Schon oft wurden geysirartige Ausbrüche mit Wasserdampf beobachtet. Nun ist sicher, dass sich dieser Wasserdampf in einer permanenten dünnen Schicht als Atmosphäre über dem Eis befindet, aber nur auf der Mondseite, die nach hinten (bezogen auf seine Bahnbewegung um Jupiter) zeigt.

Die Wärme für den Ozean unter der Eisschicht kommt von der Gezeitenreibung im Gestein. Im Ozean vermutet man auch organisches Leben. 2022 startet dazu die Mission JUICE, die ab 2031 nach Leben auf den Jupitermonden forschen soll.

Das Bild zeigt Jupiter und Europa, aufgenommen am 25.8.2020 vom HST 

credit: NASA/ESA

Get-Together!

 Die Ausgangslage:

Im Kosmos sind zahlreiche komplexe organische Verbindungen nachgewiesen worden. Sie werden als Grundbausteine des Lebens angesehen, die durch Kometen und Metorite auf die junge Erde gebracht werden. Nur dadurch konnte sich relativ schnell nach der Abkühlung Leben auf der Erde bilden.

Das Problem:

Der Kosmos ist leer. Wie finden dort die zahlreichen Atome zusammen um z.B. H2C2O4 zu bilden?

Das erfordert  kühlere Umgebungen, damit die Strahlung heißer Sterne diese Moleküle nicht gleich wieder zersetzt. Im Inneren von interstellaren Staubwolken ist die Abschirmung von der Strahlung gut genug. Dort sitzen Staubkörner, die mit Eis überzogen sind. Im Eis stecken einzelne Atome. Die inneren Eisschichten bestehen aus Wassereis, die äußeren Schichten aus gefrorenem CO.

Aber wie kommen diese Atome  zusammen? Und zwar ausreichend schnell, so dass sich die großen Mengen organischen Materials auch damit erklären lassen?

Die Entstehung der Staubkörner selbst ist recht gut verstanden: Das passiert in den Atmosphären von Riesensternen und bei Supernovaexplosionen.

Die Lösung:

Forschende des MPI für Astronomie und der Universität Syracus haben experimentell eine Antwort gefunden.

An den Staubteilchen lagert sich außen CO als Kohlenmonoxid-Eis an. Viele Atome oder Molekülteile sind dort eingebettet. Bei Temperaturen unter 10 K ist das CO-Eis amorph, d.h. die CO-Moleküle kleben alle in unterschiedlichen Orientierungen aneinander. Sind dort andere Substanzen eingebettet, so ist die Diffusionsrate so klein, dass es nicht zur Bildung von organischen Substanzen kommen kann.

Erwärmt sich das Staubkorn auf über 10 K, so gibt es einen Phasensprung im CO-Eis. Die Moleküle ordnen sich in vielen kleinen regelmäßigen Strukturen an. Das nennt man polykristallin.

Einmal werden bei diesem Übergang die anderen Substanzen bewegt und zum anderen ist die Diffusion in diesem Material wesentlich größer.

Also: Zuerst sammelt sich alles an den Staubkörnern an und wenn dann die Staubwolke langsam erwärmt wird, kann es zum großen Get-together kommen und die Molekülbildung findet statt.

Woher weiß man das?

Man kann diese Prozesse im Labor nachstellen. Winzige goldbeschichtete Kupferscheiben mit 13 mm Durchmesser sollen die Oberflächen der Staubteilchen darstellen. Da werden dann im Hochvakuum Schichten aus Wassereis und CO-Eis aufgebracht. Durch Bestrahlung mit IR-Licht und Analyse der Spektren kann der Aufbau der Eisschichten bestimmt werden.

Erhitzt man langsam die Kupferscheibe, so lässt sich der beschriebene Phasenübergang nachweisen.

In einer zweiten Versuchsreihe wurden Kohlendioxidmoleküle CO2 im Eis beigemischt. In der amorphen Phase blieben sie als einzelne Moleküle an ihren Plätzen sitzen. Nach dem Übergang zur polykristallinen Phase konnten größere CO2-Cluster nachgewiesen werden.

Ich finde, das sind bemerkenswerte Ergebnisse, die wichtige Fragen zur Entstehung des Lebens klären könnten.

Abb1: Phasenübergang bringt Atome zusammen, MPIA/NASA

Abb2: Diffusionszeit (rechts sind die Exponenten der Angabe in Jahren angegeben) in Abhängigkeit von Eisdicke (in Monalagen ML) und Temperatur. Aus: Phase transition of interstellar CO ice Jiao He, 1 Francis E. Toriello,2 Shahnewaz M. Emtiaz,2 Thomas Henning,1 and Gianfranco Vidali2 2 3 1Max Planck Institute for Astronomy, Physics Department, Syracuse University, Syracuse, NY 13244, USA 5 Submitted to ApJL

Die nahe und ferne Zukunft der europäischen Raumfahrt, Teil 2:

 Ozeanwelten im Planetensystem

Bei früheren Missionen wurden Anzeichen für riesige warme Ozeane unter den Eiskrusten einiger Jupiter- und Saturnmonde gefunden.

Schon 2022 soll eine Mission zu den Eismonden des Jupiters gehen und dort nähere Untersuchungen durchführen.

Aber auch  für die Zeit nach 2035 sind schon weitere Missionen in den Blick genommen worden: Raumsonden zu den Monden Jupiters oder Saturns, die Ozeane im Inneren haben.

Warum ist das so interessant?

Das Eis wird durch Wärme und flüssiges Gestein aus dem Mondinneren zu einem Ozean aufgetaut. Ursache sind Gezeitenreibungen durch die großen Planeten. Am Boden könnten sich Black Smokers bilden, so wie wir es auch vom irdischen Meeresgrund kennen. Hier haben sich ohne Licht und Sauerstoff eigene Lebensformen gebildet.

Ist das auch auf den fernen Monden passiert?

Das wären wichtige Hinweise auf der weiteren Suche nach Leben im Kosmos.

Die neuen Missionen sollen auch untersuchen, ob man über Oberflächenstrukturen auf diese inneren Ozeane schließen kann. Dann ist es leichter solche Rückschlüsse auf ferne Exoplaneten anzuwenden.

Geplant ist auch das Absetzen eines Landers oder einer Drohne, denn Titan, der größte Saturnmond, hat nicht nur einen unterirdischen Salzozean, sondern auch Seen aus Kohlenwasserstoffen und eine dichte Atmosphäre, in der eine Drohne fliegen könnte.

Gibt es Leben außerhalb der Erde? Teil IV

 

Bewusstsein

Was ist ein Bewusstsein? 

Neurologen, Kognitionsforscher und Philosophen sind dem auf der Spur. Sie sind sich sicher, dass es kein nichtmaterielles Objekt ist, sondern durch das neuronale System bestimmt und dann beim Aufwachsen durch einen Lernprozess aufgebaut wird (z.B. bekommen Kinder erst ab dem 1. bis 2. Lebensjahr ein Selbstbewusstsein, d.h. sie erkennen sich im Spiegel).

Sehr viele Handlungen und Überlegensstrategien erfolgen aber unbewusst.

Ein Selbstbewusstsein erscheint notwendig ,um auf die Suche nach ETs zu gehen, aber es ist keine notwendige Überlebensstrategie einer Spezie.

Sollten wir auf ihrer nicht selbstbewusste Aliens stoßen, würden diese nicht verstehen, warum wir mit ihnen in Kontakt treten wollen.

 Fazit

Aliens, mit denen wir in Kontakt treten können müssen also:

- Werkzeuge bauen können und wollen

- intelligent sein

- eine Sprache haben

- ein technisch-wissenschaftliches Interesse entwickeln

- eine Form des Selbstbewusstseins besitzen

Kein Wunder, dass wir noch niemanden gefunden haben.

Wir müssen aufhören nach uns selbst zu suchen, wenn wir nach Leben im Kosmos suchen wollen.

Aber wonach sollen wir suchen?

Und woran erkennen wir, ob wir etwas gefunden haben? 

  Das Bild zeigt keine Steine in einem Tümpel...was wir hier sehen sind die Organisationsformen von Cyanobakterien.

Solche Bakterien haben vor langer Zeit den Sauerstoff auf die Erde gebracht.

Nur noch an wenigen Stellen, wie hier in einem Tümpel in Australien, gibt es noch lebende Bakterienstämme.

Also: Aliens können für uns auch wie Steine aussehen....Diese Steine hier sind vielleicht nicht intelligent, aber sie leben...schon verdammt lang...

Wo sind hier die Aliens?

da:

Gibt es leben außerhalb der Erde? Teil III

 

Notwendige Fähigkeiten der Aliens

Welche Fähigkeiten müssen Aliens haben, damit wir mit ihnen kommunizieren könnten?

a) Aliens müssen Werkzeuge entwickelt haben, damit sie komplexe Instrumente zur Kommunikation mit uns entwickeln können:

Auf der Erde ist die Entwicklung des Werkzeuggebrauchs ein eher seltener Prozess. Zu ihm gehört die Entwicklung einer Feinmotorik (die vielleicht mit der Sprachentwicklung gekoppelt sein kann). Außer uns Menschen planen wohl nur noch Schimpansen den Werkzeuggebrauch, ansonsten liegt höchstens Versuch und Irrtum aber keine Planung vor.

b) Aliens müssten eine gewisse Form der Intelligenz besitzen:

Ratten können einen gefährlichen, nicht vorhersehbaren Alltag ausgezeichnet meistern. Wir Menschen tun uns da eher schwerer, aber dafür können wir Radioteleskope bauen und bedienen.

Evolution führt nicht zwangsläufig zu einer bestimmten Form der Intelligenz. Auf der Erde überleben viele Arten Millionen von Jahren. Wird der Mensch das schaffen?

Aliens, mit denen wir kommunizieren könnten, müssen nicht nur Werkzeuge entwickeln sondern auch eine passende Art von Intelligenz besitzen.

c)Wie könnte nun die Kommunikation ablaufen?

Zuerst müssen Aliens eine Art Sprache haben. Das muss nicht zwangsläufig sein, unter 50 Millionen Arten auf der Erde hat sich nur eine sprechende Art entwickelt.

Und wenn sie sprechen könnten? Dann zeigt uns Wittgenstein ein weiteres Problem auf:

"Wenn ein Löwe reden könnte, würden wir ihn nicht verstehen. Und wenn wir ihn verstehen könnten, wäre es kein Löwe mehr."

d) Aliens sollte eine wissenschaftliche Kultur entwickelt haben:

Auch auf der Erde gibt es Kulturen, die nicht zwangsläufig einen technisch orientierten Wissenschaftsbedarf entwickeln, wie die Aborigines, frühe arabische und chinesische Kulturen.

Aber nur in wissenschaftlich-technisch orientierten Kulturen entsteht das Interesse an technischen Geräten, die zur Kommunikation eingesetzt werden können.

Also: Der Kosmos mag voller Leben sein...aber kaum jemand kann mit uns reden...oder hat überhaupt ein Bedürfnis dafür...Und deswegen sind wir so einsam!

Zum Bild: Nun ist die Trennlinie der beiden Bilder eingezeichnet. Ich nehme an, da haben sie die Wenigsten vermutet...

Gibt es Leben außerhalb der Erde? Teil II

 Was ist eigentlich Leben?

Leben ist eine besondere Organisationsform unbelebter Materie, eine emergente Eigenschaft der Materie.

Dabei müssen einige Bedingungen erfüllt sein:

- Das materielle System muss mit der Umwelt in Wechselwirkung treten können. Dabei werden Materialien und Energie ausgetauscht.

- Das System muss sich vermehren können, aber auch selbst wachsen und sich entwickeln können.

- Dabei muss es auch auf Veränderungen der Umwelt reagieren können, eine innere Organisation besitzen und eigene Prozesse regulieren und anpassen können.

Die Molekülfunde im Kosmos sowie die Chemie des Kohlenstoffatoms legen nahe, dass Leben im Kosmos auf Kohlenstoffbasis aufgebaut ist. Das muss aber nicht so sein, auch andere, genügend komplexe Systeme könnten Lebenseigenschaften hervorbringen.

Kritisch sehe ich die Zeitbasis:

Unsere eigenen inneren Prozesse ermöglichen uns einen bestimmten Zeitraum zu erfassen und für Kommunikation zu nutzen. Nur Lebensformen mit ähnlichen Zeitstrukturen könnten wir erkennen:

Wie sollen wir Lebensformen, die sich in Mikrosekunden ändern oder Lebenszyklen von Mikrosekunden haben, finden und wie mit ihnen kommunizieren?

Wie erkennen wir Lebenszyklen von Millionen oder gar Milliarden Jahren?

Unsere Suche nach Leben im Kosmos ist letztlich eingeschränkt auf dem irdischen Leben ähnliche Formen und zeitlichen Möglichkeiten.

Übrigens:

Was ist auf dem Bild zu sehen, war die Frage im ersten Post.

Der untere Teil ist auf dem Mars aufgenommen, der obere in der Antacamawüste in Chile.

Wo verläuft die Trennlinie?

Das zeige ich im nächsten Post der Serie.

Gibt es Leben außerhalb der Erde? Teil I

 

Kurz meine Antwort: Ich bin mir sicher!

In der folgenden Serie von Posts möchte ich jeweils kurz auf die Frage nach außerirdischem Leben und einer möglichen Kontaktaufnahme eingehen. 

 

Was  Fakt ist: Satelliten und Fernrohre haben tausende fremder Planetensysteme gefunden und in wenigen Jahren werden die neuen großen Teleskope die Atmosphären dieser Planeten wirklich nach Lebensspuren untersuchen können.

In der Tat könnten wir in der "Morgendämmerung" einer gigantischen Entdeckung stehen.

Teil 1: Leben ist ein kosmisches Phänomen

Die Bausteine des Lebens entstehen schon überall im Kosmos vor der eigentlichen Bildung von Planeten. Sie konzentrieren sich in Kometen, die sie später auf die erkalteten Planeten bringen.

Sie entstehen auf den Oberflächen von interstellaren Staubteilchen in dünnen Eisschichten.

Kometenkerne sind aus solchem vereistem Staub zusammengesetzt.

In Gas- und Molekülwolken sind sogar Vorstufen der Proteine gefunden wurden.Und mit dem Alkohol im Orionnebel könnte sich die Menschheit jahrelang besaufen.

Wir können also davon ausgehen, dass überall im Kosmos die Grundbausteine des Lebens in Sternentstehungsgebieten vorkommen.

In den letzten Jahren haben wir vermehrt in unserem Sonnensystem nach Möglichkeiten für außerirdisches Leben gesucht.

Auf dem Mars ist man nicht fündig geworden (bisher...), es ist aber sicher, dass er früher Wasser an seiner Oberfläche hatte.

Vollkommen überraschend wurde deutlich, dass einige der großen Monde von Jupiter (u.a.Europa) und Saturn (Encleadus)unter ihrem dicken Eispanzer einen warmen Ozean haben müssen.

Es wurde ngeysirartige Wasserdampffontänen beobachtet, Raumsonden sind durch Wasserdampfwolken hindurchgeflogen.

Die notwendige Wärme zum Schmelzen des Eises kommt durch die gezeitenartigen Bewegungen der Monde, es ist schlichtweg Reibungswärme der Gesteine.

Man geht davon aus, dass das Wasser die üblichen Beimengungen an organischem Material hat, wie sie auch im Eis der Kometenkerne vorkommt. Und daraus könnte sich Leben entwickelt haben.

Aber wie ist es mit der Energie für Leben in den Ozeanen, die ja sonnenfern von einer dicken Eisschicht überzogen sind? Dort wird es kein Licht und keinen freien Sauerstoff geben.

Eine vergleichbare Situation herrscht auf der Erde am Boden der Weltmeere in etwa 10 km Tiefe. Dort hat man aber ebenfalls vollkommen eigene Lebensformen (Tiere, Pflanzen) entdeckt, die sich von den aus dem Erdinneren austretenden Stoffen in den sog. "black smokern" ernähren und weder Licht noch Sauerstoff brauchen.

Vielleicht sieht es am Boden des Pazifiks so aus wie in den warmen Ozeanen der großen Eismonde?

Wir werden es sicher erfahren, denn in den 30-Jahren sollen Raumsonden dort hin fliegen und schlichtweg "nachschauen".

Ich bin mir sicher: Spätestens dann wird man Leben außerhalb der Erde finden. 

Zum Bild:

Wo ist es entstanden?

 

Vom Anfang und Ende der Welt III: Die Geschichte eines Universums

 Vom Urknall zum Zerfall: Die Geschichte eines Universums

 Jedes individuelle Leben hat einen Anfang und ein Ende, das Leben an sich ist  auch begrenzt: Nur in einer bestimmten Entwicklungsphase des Kosmos kann es in dieser bekannten organischen Form existieren. Und, seit wenigen Jahrzehnten wird klar: Auch unser Kosmos als Ganzes ist nicht ewig. Er hat einen Anfang und er hat ein Ende, er wird  so wie er ist nur eine begrenzte (wenn auch verdammt lange) Zeit existieren.

"Carpe diem" - "Genieße den Tag" bekommt eine besondere Bedeutung!

Es ist Dein Tag, in Deiner Welt, in Deinem Universum.

Wie alles begann...

Vor knapp 14 Milliarden Jahren gab es chaotisch erscheinende Energiefluktuationen, teilweise gefüllt mit einer Art "Treibstoff", die man heute Inflaton-Feld nennt. Dieser Triebstoff bläht den Raum mit exponentiellem Wachstum auf. 

 

Übrigens: Eigentlich müsste es Inflations-Feld heißen, da es die Inflation, das exponentielle Aufblähen, erzeugt. In der ersten Veröffentlichung hat man aber das "i" vergessen...und dann blieb es bei Inflaton. 

 In 10^(-30)sec auf das 10^25-fache...aus einem Elementarteilchen großem Kosmos wird ein fußballgroßes Objekt.

Das exponentielle Wachstum zu Beginn ist wesentlich für ein schnelles Erreichen einer gewissen Größe, auch  eine befurchtete Eizelle liefert erst einmal exponentielles Wachstum: 2,4,8,16,32,64,...Zellen. Ein solches schnelles Wachstum unseres Universums erklärt auch viele gesicherte beobachtete Eigenschaften des  Kosmos.

Die Energiefluktuationen beim Übergang zu einer normalen Expansion frieren ein und liefern die Struktur des fertigen Universums. Wir sehen sie als Flecken 380 000 Jahre später im Urknallgas und heute als Galaxienhaufen in unserer Umgebung. 

 

In den ersten 3 Minuten bildet sich Helium durch die Fusion von Wasserstoff, ausreichend genug für die spätere Produktion von Kohlenstoff und anderen Elementen. Aber so wenig, dass noch genügend Wasserstoff übrig bleibt, denn nur er kann Sterne durch Fusion antreiben und zum Leuchten bringen.

Die Ausdehnung des Universums stoppt die Kernfusion also rechtzeitig.

Die Dunkle Materie hat die Struktur der Energiefluktuationen übernommen und zwingt die zur Fusion fähige normale Materie zu großen Anballungen, die wir später Galaxien nennen und die in Sterne "zerfallen".

Die erste Sternengeneration, etwa 300 Millionen Jahre nach dem Urknall, besteht aus massereichen Sternen, die sich in wenigen Millionen Jahren zu Supernovae entwickeln, explodieren und riesige Mengen an Kohlenstoff und schweren Elementen in den Kosmos blasen.

Aus einer Quantenwelt  der Möglichkeiten ist eine wahrnehmbare Welt der Fakten geworden.

 Die zweite Sternengeneration kann sich mit Planeten umgeben. Nur auf diesen kleinen kalten Himmelskörpern kann das inzwischen massenweise an Staubteilchen kondensierte organische Material eine Überlebenschance haben...ein Überleben zum Leben.

Es ist faszinierend, wie sich Aminosäuren je nach Umwelbedingungen zur Bildung von Proteinen organisieren und diese durch von der DNA und der Umwelt vorgegebenen Weisen zu bestimmten Ketten mit bestimmten Funktionen falten und anordnen. Die Moleküle machen dabei nichts besonderes, sie tun das, was sie unter diesen Bedingungen tun können und müssen.

Diese Proteine steuern dann chemische Prozesse und diese ermöglichen die Existenz von Zellen.

Zellen schließen sich zusammen und bilden komplexere Lebensformen.

Vor 2,7 Milliarden Jahren produziert die Photosynthese Sauerstoff, der aber sofort von Gesteinen absorbiert wird. Erst vor 540 Millionen Jahren ( das wäre auf unser  Leben bezogen im letzten Sommer gewesen...) sind die Gesteine mit Sauerstoff gesättigt. Es bildet sich eine Sauerstoffatmosphäre, Landtiere können sich entwickeln.

Zentrale Nervensysteme und Gehirne entwickeln sich. Die Wesen nehmen ihre Umgebung nicht nur wahr, sie gestalten sie, verändern sie und denken über sie nach.

Die Geschichte des modernen Menschen beginnt vor etwa 1 Millionen Jahren, das wäre bezogen auf unser Leben vor 20 Stunden!

Viele Lebewesen, nicht nur Menschen,  fangen an, auch über andere Wesen nachzudenken, empfinden sich als einzigartiges Individuum, in vielen Formen (auch in der Tierwelt) entsteht ein Selbstbewusstsein.

In seinem eigenen Ich konstruiert jedes Individuum eine eigene Welt, eine Welt, in der es lebt, fühlt und handelt.

 Wie alles endet...

Irgendwann in 4 Milliarden Jahren (wir haben gerade Halbzeit!) wird die Sonne zum Riesenstern und sie wird dann die Erde zum Glühen bringen.

Vielleicht sind unsere Nachfahren längst übergesiedelt, zum Mars, zu Jupitermonden oder sie leben in riesigen Raumstationen...aber vielleicht interessiert das auch Niemanden, weil niemand mehr da ist...

Seit 5 Milliarden Jahren expandiert der Kosmos schon beschleunigt. Nach unserer heutigen Vorstellung geht das in ein erneutes exponentielles Auseinandergehen über, das so heftig wird, dass alle Strukturen zerstört und ihre Wirkungen beendet werden.

Aber schon lange vorher wird der letzte Stern entstanden sein und aufgehört haben zu leuchten. Das für die Sternbildung zur Verfügung stehende Material ist aufgebraucht...

Es wird dunkel im Kosmos.

Eine interessante Zukunftsvision hat der israelische Physiker Ben-Naim.

Er geht davon aus, dass die Welt nicht von künstlicher Intelligenz erobert wird, sondern wir uns in künstliche Intelligenz umwandeln. Dadurch können wir den Kosmos besiedeln und alle Widrigkeiten überleben.

 

 

Vom Anfang und Ende der Welt II: Der Makrokosmos

 Vom Anfang und Ende der Welt: Elementarteilchen und Kosmologie

Aufbau des Makrokosmos

Die Bauteile des Universums sind die Galaxien...man schätzt neuerdings, dass es Billionen von Galaxien in unserem  Kosmos gibt.

 Zum Vergleich: Ein Mensch besteht aus etwa 100 Billionen Zellen, davon sind etwa 170 Milliarden im Gehirn. Unser Körper ist extrem komplex: Wenn die Zellen Galaxien wären, dann könnte man damit dutzende Universen versorgen...

Galaxien bilden übergeordnete Strukturen, sog. Galaxienhaufen, die an den Wänden netzwerkartiger Strukturen (ich vermeide jetzt zellartig zu sagen) angeordnet sind.

 Das Netzwerk ist durch Dunkle Materie erzeugt, die dafür gesorgt hat, dass sich die normale Materie längs dieser Strukturen ansammelt und Sterne und Galaxien bildet.

 

Simulation des Netzwerkes aus Dunkler Materie

  Seit relativ kurzer Zeit wissen wir, dass Galaxien keine isolierten Welteninseln sind (so wurden sie noch in meiner Jugend beschrieben), sondern Systeme, die über vielfältige Weise miteinander in Wechselwirkung stehen.

 

Galaxien können gegenseitig Sternbildung ermöglichen oder verhindern, sich also aktivieren oder deaktivieren (bezogen auf Sternbildung). 

Der Motor dieser Prozesse sind gigantische Schwarze Löcher von bis zu 4 Milliarden Sonnenmassen, so groß wie unser Planetensystem.

 Das Schwarze Loch in M87 mit Magnetfeldstrukturen

  Galaxien können auch verschmelzen, sich gegenseitig "auffressen", eher einverleiben. All das passiert in Zeitmaßstäben von über 100 Millionen Jahren. Für uns erscheint die Welt der Galaxien deshalb statisch. Sie ist es aber nicht...

 In Galaxien können bis zu 500 Milliarden Sternen sein, fast alle von ihnen besitzen eigene Planeten. 

Überall im Kosmos, auch in den Gasen aus denen neue Sterne und Planeten entstehen, finden wir organische Substanzen, auch Aminosäuren als Grundbausteine des (irdischen) Lebens.

Sie befinden sich im Eis von Kometen und gelangen so auf alle Planeten, auch auf die junge Erde.

 

 Leben ist ein kosmisches, kein irdisches Phänomen!

Es ist anzunehmen, dass im Kosmos Milliarden von Spezien von Lebensformen existieren. 

Da die Existenz einer Spezie zeitlich sehr begrenzt ist (wir Menschan arbeiten gerade an unserer Abwahl...), der Kosmos aber seit über 10 Milliarden  Jahren Leben beherbergen kann, ist es extrem unwahrscheinlich, dass wir in kosmischer Nähe zur Zeit weitere intelligent(ere) Lebensformen finden.

(Ich habe vor 25 Jahren mal als Journalist getarnt in der UFO-Szene recherchiert...ich wollte wissen was dran ist... Ganz klar und 100%ig: NIchts!).

Woraus besteht die Substanz unseres Kosmos?

 

Die normale (baryonische) Materie macht etwa 5% aus, das ist alles was aus Quarks und Elektronen zusammengesetzt ist. Nur die Hälfte davon ist in Form von Sternen und Planeten sichtbar, die andere Hälfte sind dunkle, stark verdünnte Gase zwischen Sternen und Galaxien.

27% besteht aus Dunkler Materie. Die macht nur Schwerkraft und hält die 5% zusammen..., denn nur baryonische Materie kann Strukturen bilden, die sich weiter entwickeln und eine Evolution durchlaufen.

 Damit diese Entwicklung in Gang kommt und gehalten wird, muss der Kosmos expandieren. Dazu braucht es eine besonderen Antrieb, den nennt man Dunkle Energie. Sie macht etwa 68% der Substanz des Kosmos aus.

Woraus Dunkle Materie besteht, erahnen wir und es gibt seit einigen Jahren Experimente, die sie wohl nachweisen (können, werden).

Über die Dunkle Energie ist uns nichts bekannt, außer dass sie da ist....und der Antrieb für alles ist.

Sensation: Leben am Limit

 Britischen Forschenden ist es gelungen Leben an einer Stelle nachzuweisen, wo niemand auch nur annähernd damit gerechnet hätte.

Das gibt interessante Aussichten auf der Suche nach Leben unter dem Eis der Jupiter- und Saturnmonde.

In einer Tiefe von 900 m unter dem Schelfeis am Rand der Antarktis wurde auf einem Felsen eine Schwammkultur gefunden, 160 km vom nährstoffreichen Ozean entfernt, in absoluter Dunkelheit bei einer Temperatur von - 2,2 °C.

 

Im Rahmen einer Forschungsaktion wurden mehrere Bohrlöcher eingebracht, durch eines wurde eine Action Go Pro hinabgelassen. Am Ende fand man auf einem Felsvorspung die Lebewesen. 

 Griffiths, Anker, Linse et.al

British Antarctic Survey

Breaking All the Rules: The First Recorded Hard Substrate Sessile Benthic Community Far Beneath an Antarctic Ice Shelf

Bild 1: Lage des untersuchten Bohrloches FSW2

Bild 2: Schwammkultuzr auf einem Felsvorspung

Video des Ab- und Auftauchens

 

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Warum wir da sein können, Teil 7: Das anthropische Prinzip

 Wir haben in den letzten Posts gesehen, dass nur eine bestimmte, anscheinend genau aufeinander abgestimmte Größe von Naturkonstanten und Entwicklungen Leben ermöglicht.

Wir, als ein möglicher Lebenszustand im Kosmos, erkennen das.

Daraus können wir nur folgern: Das geht, weil eben Leben hier möglich ist.

John Leslie hat das klar formuliert: Intelligentes Leben kann nur dort sein, wo intelligentes Leben möglich ist.

Wir wundern uns ja auch nicht, warum wir Fische nur im Wasser finden.

Trotzdem werden andere Formulierungen als sog. anthropische Prinzipien diskutiert. Sie gehen auf Brandon Carter, 1973, zurück:

Allgemeines anthropisches Prinzip: 

Wir können nur solche Zustände im Kosmos erwarten, die mit unserer Existenz als Beobachter verträglich sind.

Schwaches anthropisches Prinzip: 

Wir leben da, wo es möglich ist. Konkret: auf einem Planeten im Kosmos, der die richtigen Bedingungen hat oder auch in einem Kosmos, in dem es solche Planeten geben kann.

Starkes anthropisches Prinzip:

Das Universum muss so beschaffen sein, damit Leben, insbesondere Beobachter, existieren können.

Ich denke, das allgemeine und das schwache anthropische Prinzip sind selbstredend und ohne tiefergehende Interpretation. Das starke anthropische Prinzip könnte auch eine zielgerichtete Erschaffung des Universums erforderlich machen.

In der Literatur werden auch andere Sichtweisen diskutiert:

- Die Feinabstimmung ist rein zufällig und bedarf keinerlei weitergehender Erklärung.

- Es gibt eine Erklärung, die wir für die Feinabstimmung aber noch nicht kennen. Dazu müssen wir  unsere physikalischen Kenntnsise vertiefen.

- Ein Schöpfer hat die Feinabstimmung genau so eingestellt, weil er wollte, dass sich bewusstes Leben im Kosmos bildet.

- Es gibt auch andere Abstimmungen der Naturkonstanten. Sie existieren in anderen Universen oder in anderen Bereichen unseres Kosmos, in die wir nicht einsehen können, weil sie zu weit entfernt sind. 

- Der Kosmos existiert in seinen verschiedenen Entwicklungsstufen nicht nacheinander, sondern alle Stufen sind vorhanden, da es die Zeit nur in unserem Empfinden gibt. Somit können Bewohner des Kosmos seine eigene Ursache sein. Sie werden dann sicher die Naturkonstanten so wählen, dass ihre Existenz nicht gefährdet ist. In diesem letzten Fall muss man natürlich eine Interpretation des Kosmos als eine mathematische Struktur, wie es Tegmark macht, oder als ein Computerprogramm, wie es Zuse gemacht hat, annehmen und ihm keine triviale Realität im Sinne eines materiellen Seins zusprechen.

 Ende der Postserie

 

 

Warum wir da sein können, Teil 3:...weil die Kräfte stimmen

 Feinabstimmung der Kräfte

Wir kennen vier Kräfte, aus denen sich alle Wechselwirkungen des Kosmos aufbauen.

Starke Kraft:

Sie wirkt zwischen den Quarks und bindet Protonen und Neutronen aneinander. Sie ist die stärkste Kraft.

Wäre sie etwa 2% stärker, so hätten sich alle schweren Elemente gleich beim Urknall gebildet. Es wäre kein Wasserstoff für die Bildung von Sternen übriggeblieben.

Wäre sie 5% schwächer, so würden selbst in Sternen keine schweren Elemente entstehen.

Elektromagnetische Kraft:

Sie ist etwa 100 mal schwächer als die starke Kraft und für die Bindung der Atome zu Molekülen verantwortlich. Wäre sie kleiner oder größer als ihr wirklicher Wert, so gäbe es ganz andere, meist viel weniger komplexe Molekülstrukturen.

Schwache Kraft:

Diese extrem schwache Kraft ist vor allem verantwortlich für den Neutronenzerfall und die extrem schwache Wechselwirkung der Neutrinos mit Materie.

Bei einer Abweichung von 5% würden Supernovae nicht explodieren. Aber bei der Supernovaexplosion werden in der verdichteten und erhitzten, nach Außen expandierenden, Gashülle die meisten schweren Elemente hergestellt und im Kosmos verteilt.

Nur Gold entsteht bei der Verschmelzung von Neutronensternen, aber die gäbe es ohne Supernovae auch nicht....

Ohne Supernovae gäb es somit keine Planeten und auch kein Leben.

Woran liegt das?

Bei einer Supernova kollabiert der Kern eines Überriesensternes. Dabei verbinden sich Elektronen und Protonen zu Neutronen. Dabei werden Neutrionos frei, die das zZntrum des Sternes verlassen können.

Ihre Energie wird benötigt, um die Sternenexplosion einzuleiten.Ist die schwache Wechselwirkung der Neutrinos zu groß, so bleiben diese schon im Inneren des Sternes stecken und können nicht ihre Energie in der äußeren dünneren Hülle abgeben und diese zur Erzeugung schwerer Elemente zu bringen.

Ist die schwache Wechselwirkung zu klein, so fliegen die Neutrinos einfach aus dem Stern raus, ohne ihre Energie abzugeben. Die Supernova bleibt aus, schwere Elemente können nicht entstehen.

Gravitationskraft:

Dies ist die schwächste Kraft im Kosmos. Man braucht also viel Materie, damit sie sich überhaupt auswirken kann. Durch sie ist die Größe und Lebensdauer der Sterne bestimmt.

Somit legt die Gravitationsstärke fest, wieviel Materie ein Stern haben muss um dem Strahlungsdurck ein Gleichgewicht zu bieten. Bei einer viel stärkeren Gravitation könnten Sterne nicht größer als die Alpen sein und würden auch nur etwa ein Jahr lang leuchten. Die Erde wäre etwa 100 m groß und alles, was größer als eine Ameise ist, würde durch die Schwerkraft auf der Erdoberflächen plattgedrückt.

Aber soweit müssen wir gar nicht denken. Eine stärkere Schwerkraft bewirkt auch eine stärkere Anziehung der Dunklen Materie. Die hätte gleich zu Beginn des Universums alle Strukturen in sich zusammenfallen lassen.

Und bei einer zu schwachen Gravitation hätten sich nie Strukturen wie Galaxien oder Sterne bilden können.

Warum wir da sein können, Teil 2: da die Neutronenmasse stimmt...

 Feinabstimmung der Neutronenmasse:

Das Innere der Atomkerne ist aus Quarks zusammengesetzt. Je drei von ihnen bilden Protonen und Neutronen.

Außerhalb der Atomkerne haben die Neutronen eine mittlere Lebensdauer von etwa 16 Minuten. Sie sind instabil, da ihre Masse etwas größer ist als die der Protonen (um nur 0,14%).

Deshalb ist das Proton der energieärmere Zustand der beiden Teilchen und somit zerfallen Neutronen in Protonen.

Dabei entsteht über einen sehr kurzen Zwischenprozess (Weakon) ein Elektron und ein Anti-Elektronenneutrino und natürlich das Proton.

Im Inneren der Atomkerne verhindern die Kernkräfte diesen Zerfall und Neutronen sind stabil. Es sei denn, die Atomnkerne sind angeregt, dann entsteht die sog. Betastrahlung (Elektronen) durch den Zerfall der Neutronen.

Aber: Hätten Neutronen nur eine um 1% größere Masse, so würden sie auch im Inneren der Atomkerne in Protonen zerfallen.

Dann würden Atomkerne nur aus positiven Ladungen bestehen, wären instabil und würden zerplatzen.

Das einzige Element, was es gäbe, wäre Wasserstoff:

Die Geschichte unseres Kosmos wäre dann ganz einfach: 

Am Anfang entstand der Wasserstoff...und dabei blieb es...

Hätten Neutronen eine um 1% kleinere Masse, so wäre das Proton das massereichere Teilchen und würde in Neutronen zerfallen. Dabei würde auch ein Positron entstehen. Dies ist ein zum Elektron positiv geladenes Antiteilchen.

Positronen unterliegen wie die Elektronen  nicht der Kernkraft, sie können den Kern verlassen.

Zurück bleiben nur Neutronen. Wir würden in einem Kosmos aus Neutronen leben.

Naja, eher nicht...denn sowohl in einem Wasserstoffkosmos als auch in einem Neutronenkosmos kann sich kein Leben bilden.

Wir sind hier, weil die Neutronen bis auf einen  Bruchteil von 1% eine feinabgestimmte bestimmte Masse haben.