Entstehung der Elemente und der Sterne

Vom Sternenstaub zum Sonnensystem

 

Der letzte Beitrag widmete sich der Entstehung des Universums, der Elementarteilchen und der Bildung der ersten Elemente des Universums (Abb. 1).

Abb. 1: Urknall und Expansion des Universums

Etwa 75 Prozent der Masse der Materie im Universum besteht aus Wasserstoff, und ungefähr 25 Prozent der Masse aus Helium. Alle schwereren Elemente, einschließlich des Kohlenstoffs, aus dem wir Menschen vorzugsweise bestehen, machen nur etwa ein Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Wenn Wissenschaftler dieses eine Prozent der Materie, das nicht aus Wasserstoff oder Helium besteht, genauer untersuchen, tauchen weitere Unterschiede auf. Einige Elemente wie Kohlenstoff oder Eisen sind relativ häufig, während andere wie Beryllium oder Gold selten sind. Warum ist das so? Nun, die Antwort hat mit der Art und Weise zu tun, wie die Elemente entstehen. Im letzten Beitrag haben wir kennengelernt, dass sich während der primordialen Nukleosynthese die ersten Wasserstoff- und Helium-Kerne bildeten (mit Spuren von Lithiumkernen), diese vereinigten sich vor ca. 380.000 Jahren mit den Elektronen und bildeten die Elemente Wasserstoff, Helium und Lithium. Das sind die leichtesten Elemente im Universum (Abb. 2).

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Die Waffen nieder! Friedenslogik statt Kriegslogik!

Wir veröffentlichen hier die Pressemitteilung und die Petition der “NaturwissenschaftlerInnen-Initiative – Verantwortung für Frieden und Zukunftsfähigkeit“, da wir diese unterstützen und unterschrieben haben. Denn nur Friedenslogik statt Kriegs”logik” ist in der Lage unsere Welt vor einem dritten Weltkrieg zu retten. Nein zur NATO und nein zur Aufrüstung!

Aufruf gegen den Ukraine-Krieg und zu den Demonstrationen für Frieden und Abrüstung

NatWiss verurteilt den Angriff Russlands gegen die Ukraine, der nicht zu rechtfertigen ist und die Regeln des Völkerrechts verletzt, mit unabsehbaren Opfern und Schäden. Gleichzeitig vergessen wir nicht, dass im Vorfeld des Krieges Warnungen und Vorschläge ignoriert, Prinzipien von Kriegsvermeidung und Friedenssicherung missachtet wurden. Das Wissen über Kriegsursachen und Friedenslösungen muss genutzt werden, um die Kriegshandlungen zu beenden und weitere Eskalationsspiralen zu vermeiden. Daher demonstrieren wir für Frieden und gegen jeden Militarismus!

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Urknall und Ursprung des Universums Teil 3: der Urknall

 

Wir wissen anhand der Rotverschiebung und der Mikrowellenhintergrundstrahlung, dass das Universum expandiert. Wir wissen, dass das Universum und alle Materie in einem einzigen kleinen Punkt angefangen hat. Wir sprechen vom sogenannten Urknall.

Aber wie ist der Urknall nach unserem heutigen Wissen zustande gekommen? Falsch ist die Vorstellung, es habe einen “Urknall” gegeben und dann seien Materie, Sterne, Planeten und Galaxien einfach so entstanden. Es ist ein wenig komplizierter. Diesen Ablauf versuchen wir in diesem Beitrag zu rekonstruieren.

Abb. 1: zeitlicher Ablauf des Urknalls

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Urknall und Ursprung des Universums Teil 2: Standardmodell der Teilchenphysik und die vier Grundkräfte

Alle Materie – Menschen, Tiere, Pflanzen und Planeten – bestehen aus Atomen. Im Kern der Atome befinden sich die positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen und in der Atomhülle die negativ geladenen Elektronen. Wir haben uns schon an anderer Stelle mit dem Bau der Atome und dem Periodensystem der Elemente befasst. Doch auch Atome sind aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt. Physiker haben ihre Kenntnisse über die kleinsten Teilchen im so genannten Standardmodell der Teilchenphysik zusammengefasst. Im Wechselspiel zwischen vielen experimentellen Ergebnissen und verschiedenen theoretischen Modellen ist in mehreren Schritten zwischen 1961 und 1973 das “Standardmodell der Teilchenphysik” entstanden. Obwohl es diesen bescheidenen Namen behalten hat, gilt es heute, über 40 Jahre später, als die bisher tiefste Erkenntnis, die die Naturwissenschaft über Entstehung, Aufbau und Verhalten der Materie in unserem Universum hervorgebracht hat. Alle bisher beobachteten subatomaren Vorgänge entsprechen perfekt den Vorhersagen des Standardmodells.

In diesem Beitrag lernen wir also das Standardmodell der Teilchenphysik kennen.

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Urknall und Ursprung des Universums Teil 1: Indizien für die Expansion des Universums

Einleitung

 

Bis in die ersten Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts hinein hielten die meisten Wissenschaftler das Universum für einen beständigen Ort, den ewigen Hintergrund, vor dem die Sterne und Planeten ihre Bahnen zogen.

Aber im Jahre 1916, als Einstein sich die Folgerungen seiner Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie klarmachte, kam er zu einem beunruhigenden Schluss. Die Gleichungen zeigten, dass das Universum dynamisch war, mit anderen Worten, dass es entweder zusammenstürzen oder expandieren sollte. Was immer er auch tat, das von Einsteins Gleichungen beschriebene Universum war nicht statisch.

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Evolution der Erde 9: Raumschiff Erde, die Physik von Newton bis Einstein

Unser Bild vom Universum und vom Sonnensystem hat sich in den letzten 500 Jahren dramatisch verändert. Damals dachten die meisten Menschen, dass die Erde eine Scheibe sei und sich im Zentrum des Universums befinde und dass die Sterne winzige Lichtpunkte auf der Himmelskuppel seien.

Doch heute wissen wir, dass die Erde ein Planet ist, welcher die Sonne umkreist (Abb. 1). Unsere Sonne ist einer von über 250 Milliarden Sternen unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße. Von der Erde aus lassen sich mit aktueller Technik mehr als 50 Milliarden Galaxien beobachten. Seit 2016 geht die Forschung davon aus, dass sich im beobachtbaren Universum ca. eine Billion Galaxien befinden.

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Evolution der Erde 8: Plattentektonik

Wissenschaftliche Revolutionen

 

In seinem legendären Buch „The Structure of Scientific Revolutions“ von 1962 wies der Wissenschaftsphilosoph Thomas Kuhn darauf hin, dass die Wissenschaft ganz anders funktioniert, als die meisten Menschen denken. Sie ist kein langsamer, stetiger, ununterbrochener Marsch zur endgültigen Wahrheit. Stattdessen durchläuft sie Perioden, in denen jeder „normale Wissenschaft“ betreibt und bestimmte Grundvoraussetzungen und Annahmen akzeptiert (ein Paradigma im Sinne Kuhns).

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Tutorial Erdgeschichte 6: Minerale und Mineralogie

Gesteine gehören zu unserem Leben, bilden teilweise eine Lebensgrundlage. Wir bauen damit Häuser, manche schreiben ihnen eine heilende Wirkung zu, für andere sind sie gerade gut genug, um damit zu werfen. In diesem Beitrag befassen wir uns mit den Grundlagen der Mineralogie.

 

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Tutorial Erdgeschichte 5: Der Aufbau der Erde

Reise zum Mittelpunkt der Erde

 

1864 veröffentliche der französische Schriftsteller Jules Verne sein Roman Reise zum Mittelpunkt der Erde. Worum geht es in dieser Geschichte? Der Geologe Lidenbrock und sein Neffe Axel finden eine verschlüsselte Reiseroute zum Mittelpunkt der Erde und brechen sogleich dorthin auf. Die Expedition beginnt in einem isländischen Krater, führt durch enge Gänge, palastartige Höhlen und ein unterirdisches Meer. Am Ende spuckt der Vulkan Stromboli die Reisenden wieder aus. Es ist eine Reise durch die Gesteinsschichten und zugleich eine Mischung damaliger wissenschaftlicher Erkenntnisse, lebhafter Phantasie und Science-Fiction. Heute wissen wir, dass Vernes Vorstellungen zur Reise zum Mittelpunkt der Erde nicht möglich sind. Stattdessen haben sich unsere Vorstellungen von uns unbekannten Orten mit den Erkenntnissen der Kosmologie, der Erforschung des Weltalls und der Entdeckung neuer Planeten, Sternen und Galaxien vom Mittelpunkt der Erde in Weltall katapultiert. Aber Vernes Roman war ein Spiegelbild seiner Zeit, denn die Arbeiten von James Hutton und die Publikation von Charles Lyells „Principles of geology“ in den 1830er Jahren hatten sicherlich einen Einfluss auf Jules Verne, wie auch das nur wenige Jahre vor Vernes Roman veröffentlichte Werk von Charles Darwin über die Entstehung der Arten. Die Erkenntnisse des Inneren Aufbaus der Erde waren zu dieser Zeit kaum vorhanden.

In diesem Beitrag möchte ich euch mitnehmen in eine wissenschaftliche Reise zum Mittelpunkt der Erde. Vielleicht ist diese Reise nicht so phantasievoll wie Jules Verne Roman, doch die wissenschaftlichen Erkenntnisse sind dadurch nicht weniger spannend.

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