In dieser Folge widmen sich Franzi und Karl dem Feedback zu den letzten Geschichten im AstroGeo Podcast. Besonders gefallen hat ihnen eine E-Mail von einer österreichischen Alm, mit Milchstraße, Satelliten und kindlichem Staunen über das „Mittendrinsein“ im Weltall.
Franzi und Karl gehen der Frage nach, warum eine Astronautin am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs für weit entfernte Beobachter so wirkt, als sei sie eingefroren. Außerdem geht es um Singularitäten, Gravitation und der Frage, was wir wirklich „sehen“, wenn wir Bilder von Schwarzen Löchern betrachten.
Auch zu unserem Nachbarplaneten Mars gab es Fragen: zu seiner dünnen Atmosphäre und ihrer chemischen Zusammensetzung, zu realen und hypothetischen Fluggeräten, sowie zu historischen Irrtümern. Und dann wäre da auch noch die künftige Besiedlung des Roten Planeten durch Menschen: Karl zweifelt am vermeintlich wirtschaftlichen Geschäftsmodell von SpaceX, das derzeit bereits diverse dramatische Folgen auf das Gemeinwohl auf der Erde hat. Es geht aber nicht nur um die fehlende Nachhaltigkeit von kommerziellen Unternehmen: Karl erzählt vom Buch „A City on Mars“, das von der menschlichen Fortpflanzung jenseits der Erde handelt, die bis heute zahlreiche biologische und damit auch ethische Fragen aufwirft.
Schließlich gibt es Fragen zum Ende – genauer gesagt zu Franzis Folge über das Ende des Universums. Es geht um den Big Rip, den Big Crunch, den Big Freeze oder ob der Urknall eigentlich durch die uns bekannten Naturgesetze ausgelöst wurde. Wir sprechen auch darüber, ob im AstroGeo Podcast abseitige wissenschaftliche Hypothesen vorgestellt werden sollten, wo Franzi und Karl ihre Rolle als Journalisten sehen – und wo nicht.
Karl beantwortet auch eure Fragen zu Sodom und Gomorra und dem vermeintlichen Luftzerplatzer eines Meteoriten in der Bronzezeit: Hörende erzählen vom real existierenden Peer Review oder ihren Erfahrungen mit Bibeltexten.
Weiterhören bei AstroGeo
- Folge 120: Raumzeit-Riss: Wie Karl Schwarzschild auf Schwarze Löcher stieß
- Folge 123: Weiße Zwerge – die Rettung vor dem Schwarzen Loch?
- Folge 124: Cygnus X-1: Wie findet man ein Schwarzes Loch?
- Folge 126: Von Marskanälen zum Wolkenatlas: Dünne Luft auf dem Mars
- Folge 127: Aus und vorbei: Das Universum und sein Ende
- Folge 128: Bröckelnde Beweise: Was hat Sodom und Gomorra zerstört?
Weiterführende Links
- Kommentar Klaus Kassner zu AG124 Wie findet man ein Schwarzes Loch?
- WP: Lettere (Galileo)/VIII/c (italienisch)
- BR: Warum ist das Universum so? Eine physikalische Sinnsuche, von Franzi
- Arte: Geburt des Christentums (YouTube-Link)
- WP: A City on Mars (Buch)
- T3N: Nasa schlägt Alarm: Wie Starlink und Co. die Weltraumforschung sabotieren
Episodenbild: Public Domain: John Martin (1852); ESO; NASA/JPL-Caltech/MSSS/Simeon Schmauß
Hui, könnte hier abgehen, wenn im Kommentarbereich jetzt wirklich Musks Marsphantasien besprochen werden. Aber ich mach es trotzdem
Ich glaube, dass Karl und Franzi etwas am Thema des Kommentars vorbei geredet haben. Musks Pläne sind dann ernstzunehmen, wenn es wirtschaftlich sinnvoll ist. Das habt ihr nur am Ende angerissen, aber nicht beantwortet.
Meine persönlichen Marsträume hat übrigens der tolle Hard-Sci-Fi Zweiteiler „Critical Mass“ und „DeltaV“ von Daniel Suarez zerstört. Da wird nämlich eine wirtschaftlichaftlich sinnvolle Raumfahrt jenseits der Erdumlaufbahn entworfen – und der Mars wird da ziemlich brutal und effizient als Quatsch entlarvt. Das einzige derzeit irgendwie sinnvoll denkbare wirtschaftliche Weltraumprojekt wäre der Ressourcenabbau auf Objekten des Asteroidengürtels. Da dies eben Asteroiden und keinen Planeten sind, liegt der ganze gute Stoff – seltene Erden, Eisen und Pipapo, könnte Karl besser aufzählen – nahe der Oberfläche und ist nicht tief in die Kruste gesunken wie auf den Gesteinsplaneten. Man käme also gut ran, wenn man mit guter Robotik und entsprechender Infrastruktur an großen Raumschiffen und vielen Statrampen ihnen auf die Pelle rückt. Alles Science-fiction, aber denkbar. Auf dem Mars gibt es aber schlichtweg nichts zu holen, zumindest nach derzeitigem Wissensstand.
Warum aber pusht Elon Musk das? Vielleicht ursprünglich deshalb, weil er ein zu reicher Freak ist. Das Thema – nicht der Planet selbst – hat aber einen wirtschaftlichen Benefit fûr ihn, von Anfang an. Seine Begründung ist natürlich Bullshit, nicht nur die Wirtschaftlichkeit: Man kann die Erde kaum so kaputt machen, dass ein Leben auf dem Mars eine bessere Alternative wäre. Eine Zivilisation, die auf dem Mars existieren kann, könnte genau so gut auch auf einer atomar verseuchten oder per Asteroideneinschlag verwüsteten Erde existieren, hätte hier aber zumindest schon etwas Infrastruktur und dann durch größere Sonnennähe und dichtere Athmosphere immer noch bessere Bedingungen als der Mars. Aber: Musk hat es früh geschafft, durch seine Sci-Fi Geschichten Öffentlichkeit zu bekommen. Und es ist diese Öffentlichkeit und der Kult um ihn als Visionär, die ihn zum reichsten Menschen aller Zeiten gemacht hat. Sein Reichtum basiert zu großen Teilen auf seinem Aktienbesitz, nicht auf der Rentabilität seiner Unternehmen. Und seine Aktien sind so wertvoll, weil ihm Millionen von Menschen online folgen und ihm seine Geschichten abkaufen.
… Aber erstmal: Vielen Dank, Franzi und Karl, für Eure tolle Arbeit und diesen schönen Podcast, der mein Leben wirklich bereichert! Habt eine gute Xmas Zeit und einen guten Rutsch!
Hallo Karl, du sprichst von „Meteorit, der in der Atmosphäre explodiert“… ist es in diesem Fall dann wirklich ein Meteorit? Müsste er dazu nicht eigentlich erst den Erdboden erreichen? Es gibt da ja diese Feinheiten zwischen Meteoroid, Meteor und Meteorit?
Und zu den Donnerkeilen: meine Tochter hat da ein gewisses Glück, solche Dinge bei unseren Ostseeurlauben am Strand zu finden (zB Fehmarn).. aber ob soe dort nun leichter oder schwieriger zu finden sind als an irgendwelchen inländischen Regionen, kann ich nicht beurteilen.
Und mir sind die Geoplänkel-Folgen sehr wichtig, also unbedingt beibehalten 🙂
Viele Grüße
Hendrik
Hallo Hendrik, du hast recht. Ich mag zur Illustration sehr diese Animation aus der Wikipedia:
https://en.wikipedia.org/wiki/Meteoroid#/media/File:Meteoroid_meteor_meteorite.gif
Beim Objekt von Tscheljabinsk müsste man unterscheiden: Spricht man von dem Zerplatzen in der Luft (bevor etwas zu Boden gefallen ist: Meteor) oder den Bruchstücken, die man hinterher gefunden hat (Meteorit).
Bei Tunguska-Ereignis fehlen ja bis heute Bruchstücke (bis auf wenige Fragmente), da müsste man tatsächlich von einem Meteor sprechen, der keine nennenswerten Meteorite hinterlassen hat.
Und keine Sorge: Das Geplänkel bleibt. 🙂
Ich komme in der letzten Zeit seltener dazu, die Podcasts zu kommentieren, a) weil ich sie oft mit Verspätung höre (wenn etwas länger als eine Stunde ist, muss ich eine Tätigkeit haben, die nebenher hören erlaubt, Bügeln etwa, und da gibt es konkurrierende Podcasts, wie „Siege der Medizin“…), b) weil dann manchmal schon etliche Kommentare da sind, auf die zu reagieren mir wichtiger ist, wenn es echte Fragen zu beantworten gibt. Und dann ist die Zeit rum, die ich für Kommentare habe…
Anyway. Die Episode zu Endzeitszenarien für das Universum hat mir sehr gut gefallen, insbesondere auch die Beschränkung auf drei Szenarien, und warum nicht solche mit griffigen Namen wie Big Freeze, Big Rip und Big Crunch. Dass zum Beispiel das zyklische Szenario unseres relativ frischgebackenen Nobelpreisträgers Penrose nicht auftauchte, ist ganz o.k., denn da gibt es ja kein wirklich dauerhaftes Ende. Beim Big Freeze hätte man noch etwas erzählen können über den hypothetischen Zerfall der Protonen in Leptonen nach etwas über 10 hoch 35 Jahren, so dass am Ende nur Photonen und Leptonen übrig bleiben. Und nach mehr als 10 hoch 70 Jahren sollten dann so langsam die schwarzen Löcher alle per Hawking-Strahlung zerfallen. Am Ende gibt es nur Neutrinos und Photonen, die immer kälter werden…. (Eventuell noch Protonen und Elektronen, wenn erstere doch stabil sein sollten.)
Lange habe ich die Nukleation eines neuen Vakuums vermisst, aber am Ende wurde sie noch erwähnt und auch dass sie schon mal eine eigene Folge gehabt hatte. Das ist das Szenario, das Karl am ehesten schlaflose Nächte bereiten könnte, denn im Gegensatz zu den anderen, die alle weit in der Zukunft liegen, könnte so ein neues Vakuum jederzeit auftreten und einige Naturkonstanten so verändern, dass das Universum mit Leben unverträglich würde (z.B. weil keine Atome mehr möglich wären, wenn etwa die starke Kernkraft auf eine vergleichbare Stärke mit der elektromagnetischen Wechselwirkung herabsinken würde — schwupps gäbe es keine Elemente mehr außer Wasserstoff).
Tröstlich ist nur, dass es ohne Vorwarnung geschehen würde, denn der Keim des neuen Vakuums würde sich im alten mit Lichtgeschwindigkeit vergrößern, d.h. man würde ohne Vorwarnung von dem neuen Vakuum überrascht werden, da kein Signal sich von der sich ausbreitenden Front ablösen und ihr vorauseilen könnte. Da die Front sich innerhalb von Nanosekunden durch einen menschlichen Körper bewegen und ihn auflösen würde, würde uns unser Ende nicht einmal bewußt werden, denn bis das Gehirn etwas merkt, ist es schon weg… Insofern kann Karl doch wieder ruhig schlafen…
Zum aktuellen Geplänkel muss ich aber doch eine Korrektur loswerden, denn was Franzi da über die Ausdehnung des Raums auf der kleinen Skala gesagt hat, war leider falsch. Sie hat gemeint, diese würde auch auf der Skala des Sonnensystems oder gar der Atome stattfinden, so dass alles mit der Zeit größer würde, wenn auch, wie sie richtig bemerkt hat, der Effekt unmessbar klein wäre. Er ist allerdings nicht nur unmessbar klein sondern völlig abwesend. Auf der Skala einer Galaxie und darunter gibt es keine fortdauernde kosmische Ausdehnung.
Hier ein Ausschnitt aus meinem Kosmologie-Skript:
„Aus Annie Hall von Woody Allen:
Mrs. Felix: Why don’t you do your homework?
Allen Felix: The Universe is expanding. Everything will fall apart, and we’ll all die.
What’s the point?
Mrs. Felix: We live in Brooklyn. Brooklyn is not expanding. Go do your homework.
Frage: Dehnt sich alles aus, auch die Atome, Planeten, Sonnensysteme?“
Die Antwort ist nein. Mrs. Felix hat recht. Brooklyn dehnt sich nicht aus, die Erde dehnt sich nicht aus.
Nicht einmal Galaxien oder gravitativ gebundene Galaxiencluster dehnen sich aus, aus dem einfachen Grund, weil die Ursache für die Ausdehnung ja in den Feldgleichungen der Gravitation beschrieben wird und wenn zusätzliche gravitative Effekte die Ausdehnung durch eine hinreichend große „Anziehungskraft“ verhindern, dann findet sie eben nicht statt.
Der Punkt ist, dass die Friedmann-Lemaître-Gleichungen, die zu Lösungen mit einer Ausdehnung des Kosmos führen, unter der Voraussetzung der Homogenität und Isotropie der Materieverteilung abgeleitet sind. Diese Homogenität und Isotropie gelten aber nur für die über einige hundert Millionen Lichtjahre gemittelte Materieverteilung. Lokal gibt es — ziemlich starke — Dichtefluktuationen. Die homogene Verteilung kann zu Ausdehnung führen (wegen der Zeitumkehrinvarianz der Gleichungen auch zu Schrumpfung, das hängt von den Anfangsbedingungen ab; da im Augenblick die Zeitableitung des Expansionsskalars a(t) größer Null ist, wir beobachten ja eine Ausdehnung, leben wir in einem Lösungstyp mit Ausdehnung, nicht mit Schrumpfung), eine inhomogene kann diese Ausdehnung lokal einschränken.
Wir können einen Vergleich mit der newtonschen Gravitation anstellen. Wir wissen theoretisch, dass die newtonsche Gravitation im Innern einer unendlich ausgedehnten homogenen Massenverteilung null ist (man kann das Gravitationsfeld in einer gleichmäßig mit Masse belegten Hohlkugel berechnen, es verschwindet, und eine kugelsymmetrische Massenverteilung hat einfach das Feld der Summe aller Hohlkugeln, aus denen man es sich zusammengesetzt denken kann: im Mittelpunkt ist es null, und bei einer unendlichen Massenverteilung ist jeder Punkt Mittelpunkt). Sobald es aber eine positive Dichtefluktuation gibt, zieht diese Massenpunkte um sich herum stärker an, die Materie klumpt sich zusammen, die Dichte wird noch größer. Die homogene Verteilung ist instabil gegenüber solchen kleinen Fluktuationen. Im Gesamtsystem gibt es im Mittel keine Gravitation, in der Nähe von Regionen höherer Dichte gibt es Anziehungskraft, diese Regionen ziehen sich zusammen.
In der einsteinschen Theorie wird Gravitation nicht als Kraft beschrieben sondern als Effekt der Geometrie der Raumzeit. Ein Effekt einer Massenansammlung wie unserer Sonne ist, dass sich der Raum um sie herum krümmt, was sich anhand der Ablenkung von Lichtstrahlen beobachten lässt. Die Krümmung ist positiv, was bedeutet, dass das Volumen einer Kugel zwar immer noch mit der dritten Potenz ihres Radius wächst, aber langsamer als im euklidischen Raum. Der Raum ist geschrumpft. Er schrumpft bei fester Masse nicht kontinuierlich sondern um einen Faktor, der der Masse proportional ist. Dieser Effekt der Schrumpfung des Raums um eine Masse überkompensiert die Ausdehnung, die ein Effekt der Homogenität (und der Anfangsbedingung ist). Man kann sich also schon vorstellen, dass die makroskopische homogene Verteilung auch auf kleiner Skala versucht, den Raum zu dehnen, also kraftähnliche Wirkungen hat, aber sie schafft das eben nicht, weil der viel stärkere Effekt der lokalen kraftähnlichen Wirkung der Masseninhomogenität vorhanden ist (die „Anziehungskraft“, die in der newtonschen Theorie zum Verklumpen führt und die in der Relativitätstheorie eben nicht als Kraft beschrieben wird, aber ebenfalls Verklumpung produziert, die am Ende zu Galaxien führt).
Harald Lesch sagt übrigens in seinem neuesten Frage-und-Antwort-Video https://www.youtube.com/watch?v=ntKVEbAX5Cc auch etwas zur Frage der Ausdehnung des Kosmos auf galaktischen und subgalaktischen Skalen. Er verneint sie auf diesen.
Auch andere Kräfte, etwa elektromagnetischer oder chemischer Natur (kovalente Bindungen) können die „Ausdehnungskraft“ aufgrund der Gravitation völlig kompensieren, weil sie eben alle stärker sind als die Gravitation.
Gravitationswellen kann man trotz ihrer minimalen Wirkung detektieren, weil sie zeitlich veränderliche räumliche Geometrien produzieren. Ein Ausdehnungseffekt der kosmologischen Konstante aber ist seit dem Urknall in die atomaren Abstandsgrößen „eingepreist“, Atome mögen mit dieser Energiedichte eine etwas (sehr minimal) andere Größe haben als ohne, aber sie bleibt eben zeitlich konstant.
Anders wird das erst beim Big-Rip-Szenario, wo explizit davon ausgegangen wird, dass der kosmologische Term anwächst und zwar im Prinzip über alle Grenzen. Wenn er unendlich groß wird, reicht er irgendwann natürlich auch mal, Atome auseinanderzureißen.
Allerdings ist dieses Szenario bei weitem das unwahrscheinlichste von den drei diskutierten. Das wollte ich ursprünglich in einem Kommentar zum Podcast anmerken. Weil es passt, tue ich es eben jetzt. Die Friedmann-Lemaître-Gleichungen enthalten drei dynamische Größen, den Expansionsskalar a(t), die Energiedichte μ(t) und den Druck p(t). Es sind aber nur zwei Gleichungen.
Um drei Größen zu bestimmen, wird eine dritte Gleichung benötigt. Das ist der Zusammenhang zwischen Energiedichte und Druck, eine sogenannte konstitutive Gleichung. Für eine rein aus Strahlung bestehende Energiedichte kennt man die: p = μ/3. Zeitlich nahe am Urknall war das Universum in guter Näherung ein solches Strahlungsuniversum. Für ein Universum, das hauptsächlich aus nichtrelativistischer Materie besteht, ein sogenanntes Staubuniversum, gilt in guter Näherung p=0.
Allgemein kann man in einem einfachen Modell ansetzen p = w μ, mit einem konstanten Parameter w. Nun ist es so, dass für alle Arten von Materie, die man kennt, der Druck größer wird, wenn die Energiedichte zunimmt. Der gesunde Menschenverstand legt auch nahe, dass der Druck nicht abnehmen kann, wenn die Energiedichte größer wird… Das heißt, es sollte gelten w ist größer oder gleich null.
Diese Regel wird durchbrochen, wenn das Vakuum eine von null verschiedene Energiedichte hat. Das Vakuum muss lorentzinvariant sein, d.h. es muss für Beobachter mit verschiedenen Geschwindigkeiten gleich aussehen (nicht aber für Beobachter mit unterschiedlichen Beschleunigungen! da tritt die Unruhstrahlung auf). Der Energie-Impuls-Tensor des Vakuums hat dieselbe Form wie der einer idealen Flüssigkeit, nur darf er eben nicht explizit von der Energiedichte abhängen, denn die ändert sich beim Übergang von einem Beobachter mit einer Geschwindigkeit zu einem mit einer anderen Geschwindigkeit (die Energiedichte ist selbst nicht lorentzinvariant). Da im Energie-Impuls-Tensor die geschwindigkeitsabhängigen Terme alle einen Faktor μ+p haben, wird Geschwindigkeitsunabhängigkeit nur erreicht, wenn μ+p=0 ist, damit folgt für die konstitutive Gleichung des Vakuums μ = – p, also μ = w p mit w = -1.
Das Vakuum ist also die einzige „Substanz“, die wir kennen, die ein negatives w in der konstitutiven Gleichung hat, und es muss zwingend w = -1 gelten.
Der Big Rip benötigt w < -1, was eine Spekulation ist, für die nichts spricht. Denn schon w = -1 ist ein rein theoretisches Ergebnis, das aus der Forderung der Lorentzinvarianz des Vakuums folgt. Direkt gemessen wurde es nicht, man kann höchstens feststellen, dass Beobachtungen der Ausdehnung des Kosmos mit einer solchen konstitutiven Gleichung zu gewissen Zeiten kompatibel sind.