Dominik Elsässer Hrsg. Urknall, Sterne, Schwarze Löcher Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft des Universums Urknall, Sterne, Schwarze Löcher Dominik Elsässer (Hrsg.) Urknall, Sterne, Schwarze Löcher Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft des Universums Hrsg. Dominik Elsässer Experimentelle Physik Vb Technical University of Dortmund Dortmund, Nordrhein-Westfalen Deutschland ISBN 978-3-662-57912-1 ISBN 978-3-662-57913-8 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-57913-8 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detail- lierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Die in diesem Sammelband zusammengefassten Beiträge sind ursprünglich erschienen in Spektrum der Wissenschaft und Spektrum – Sterne und Weltraum. © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrück- lich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbe- sondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Einbandabbildung: deblik, Berlin; Supernova 1994D in the galaxy NGC 4526 (© NASA/ESA) Verantwortlich im Verlag: Lisa Edelhäuser Springer ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany Vorwort Der Blick an den Himmel, zu Sonne, Mond, Sternen und hinaus ins fernere Universum, ist eine fundamentale Naturerfahrung, welche die Menschheit sicherlich schon seit der fernen Vergangenheit der Vorgeschichte fasziniert. In vielen Gesprächen und bei Vorträgen für ganz verschiedene Auditorien dürfen wir Astrophysikerinnen und Astrophysiker immer wieder erleben, dass der Kosmos bis heute nichts von dieser Faszination eingebüßt hat. Und im Vergleich zu vorherigen Epochen der Menschheitsgeschichte ist der Zugang zum Schatz des Wissens heute für viele von uns sehr viel ein- facher geworden (was natürlich niemals darüber hinwegtäuschen darf, dass es hier auch weiterhin dramatische Unterschiede zwischen verschie- denen Teilen unserer Welt gibt). Gleichzeitig hängt der Erfolg des großen Abenteuers der Erforschung des Kosmos heute entscheidend davon ab, dass große Teile der Gesellschaft offen für wissenschaftliche Erkenntnisse sind, und dass Grundlagenforschung als Wert an sich anerkannt wird. In einer Gesellschaft leben zu dürfen, in der diese Sachverhalte anerkannt sind, und die bereit ist einen kleinen Teil der öffentlichen Ausgaben auf die Förderung der Grundlagenforschung zu verwenden, ist ein Privileg, das wir als Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hier und heute genießen dürfen, das aber nie zu selbstverständlich werden darf. Gleichzeitig empfin- den wir eine große Freude am Teilen der faszinierenden Erkenntnisse über unser Universum, die uns die modernen Methoden der Astrophysik heute zu erwerben ermöglicht. In diesem Sinne ist es vielen Kolleginnen und Kollegen nicht nur eine Aufgabe, sondern ein echtes Herzensanliegen, eine möglichst große Öffentlichkeit auf die Abenteuerreise mitzunehmen. Das geschieht im Rahmen von Lehrveranstaltungen und weiterer Bildungsarbeit V VI Vorwort für verschiedene Auditorien, durch öffentliche Vorträge, aber ganz besonders auch durch allgemeinverständliche Publikationen. Ein ganz vorzügliches und von vielen Kolleginnen und Kollegen höchst geschätztes Forum hier- für bieten die Zeitschriften Scientific American, Spektrum der Wissenschaft und Sterne und Weltraum. Hier berichten namhafte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für eine interessierte Leserschaft, häufig direkt von der äußersten Grenze der menschlichen Erkenntnis, von der Kontaktfläche mit dem Unbekannten und von aktuellsten Fortschritten. Hierfür eignet sich ein periodisch erscheinendes Journal natürlich in besonderer Weise. Allerdings, mit dieser Erscheinungsweise ist manchmal auch der Effekt verbunden, dass sorgfältig recherchierte und weit über den aktuellen Jahrgang hinaus rele- vante Beiträge allzu schnell aus dem Fokus der Leserschaft verschwinden können. Das ist schade, und dem möchten wir mit diesem Buch entgegen- wirken. Sie finden in ihm sorgfältig und dabei behutsam redigierte Artikel aus den oben genannten Journalen, die, so hoffen Verlag und Herausgeber, Ihnen gleichzeitig als Reiseführer durch Raum und Zeit, und auch als Kompendium von bleibendem Wert dienen können. Der wissenschaftliche Fortschritt in der modernen Astrophysik findet an vielen Stellen gleichzeitig mit fast atemberaubender Geschwindigkeit statt. Es war daher keine leichte Aufgabe, eine Auswahl zu treffen und dem Buch einen Rahmen zu geben. Die Wahl fiel schließlich auf eine Reise nicht nur durch den Raum, sondern auch durch die Zeit, sind beide doch im modernen, relativistischen Bild der Welt untrennbar als „Raumzeit“ mit- einander verknüpft. Ein zentraler Pfeiler dieses modernen Bildes der phy- sikalischen Realität feierte vor kurzem den einhundertsten Geburtstag: Die Relativitätstheorie, sicher das berühmteste Werk Albert Einsteins. Neben der enormen wissenschaftshistorischen und fundamentalen Bedeutung ergibt sich aus ihr für uns Astrophysikerinnen und Astrophysiker auch eine ganz unmittelbar augenscheinliche Konsequenz: Die Relativitätstheorie setzt mit der Naturkonstante c, identisch mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes im Vakuum, eine absolute Obergrenze für die Ausbreitung von Information in unserem Universum. Sie beraubt uns so vielleicht auch der letzten Hoffnung, ferne Bereiche des Universums überlichtschnell bereisen und direkt erforschen zu können. Das Licht allerdings ist seit jeher ein ent- scheidender Informationsträger in der astronomischen Beobachtung, ein wichtiger – wenn auch heute nichtmehr der einzige – Bote aus dem frü- hen Kosmos. Und so macht die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit den Blick hinaus ins Universum immer auch zu einer Zeitreise zurück in die Vergangenheit. Wir können so die Entwicklung des Kosmos in einzigar- tiger Weise erforschen. Und wie so oft ist die Kenntnis der Vergangenheit Vorwort VII und der Gegenwart auch eine Gelegenheit, fundierte Überlegungen zur Zukunft anzustellen. Die Vergangenheit, die Gegenwart und die Zukunft des Universums sind also der rote Faden, entlang dessen wir herausragende Beiträge ausgewählt haben, die dabei viele aktuelle Fragestellungen der Kosmologie und Astrophysik berühren. Auch wenn die räumlichen und zeitlichen Skalen im Universum oft weit jenseits der menschlichen Alltagserfahrung liegen, so ist die Erforschung des Kosmos doch eine zutiefst menschliche Geschichte. Moderne tech- nologische Errungenschaften haben unseren Blick auf den Kosmos fast unermesslich erweitert. Sie haben nahezu alle Bereiche des elektromagne- tischen Spektrums zugänglich gemacht, ermöglichen die Beobachtung von Teilchen und seit Kurzem auch von Gravitationswellen. Computer unter- stützen uns an vielen Stellen, bei der Datenverarbeitung und auch bei Simulationsrechnungen. Die abschließende wissenschaftliche Interpretation dieser Flut an Daten aber bleibt bisher die Domäne des menschlichen Intellekts. Und so geben die Autorinnen und Autoren der hier zusam- mengefassten Beiträge natürlich immer auch ihre Sichtweise wieder. Nicht als passive Berichterstatter, sondern als aktive Teilnehmer, als treibende Kräfte hinter dem wissenschaftlichen Fortschritt. Dieser Fortschritt ent- steht insbesondere immer dort, wo Menschen sich ein klein wenig über die Grenzen des gesicherten Wissens hinauswagen. Er entsteht dabei nicht auf fest vorgegebenen Pfaden. Ein unverzichtbares Merkmal ist das Aufstellen von Hypothesen; ein Teil davon übersteht die Konfrontation mit neuen Daten nicht. Die Geschichte der Wissenschaft ist auch eine Geschichte von Irrtümern und auch von Sackgassen. Und auch das kommt in einigen der Artikel im Buch zur Sprache: mehr und bessere Daten lassen bisherige Interpretationen in neuem, nicht immer bestärkendem, Licht erscheinen. Und wenn gerade das heute leider in manchen Kreisen fast vorwurfsvoll zu hören ist – „die Wissenschaft hat sich doch schon oft geirrt!“ – so ist es umso mehr unsere Aufgabe als Forscherinnen und Forscher, klarzumachen, dass das kein Makel, sondern eine gewaltige Stärke der wissenschaftlichen Methode ist. Wissenschaft ist selbstkorrigierend, sie merzt über die Zeit hin- weg falsche Ideen aus ohne dass dies zur Schande und zum Vorwurf für die Urheber dieser Ideen wird. Die Wissenschaft beharrt nicht auf Meinungen um ihrer selbst willen, sondern sie unterwirft sich der Beobachtung und dem Experiment als Richterinnen über Hypothesen und Theorien. Während viele Aspekte der in diesem Buch zusammengefassten Artikel gut überprüftes Wissen sind, so war und ist es doch auch unser Anspruch, den aktuellsten Stand der Forschung wiederzugeben. Einiges kann also in den kommenden Jahren durch den Fortschritt überholt werden, kann VIII Vorwort den Test der Zeit nicht überstehen. Herausgeber und Verlag hoffen aber und sind zuversichtlich, dass diese Inhalte dennoch eine bleibende, posi- tive Wirkung erzielen können. Denn ein noch viel wichtigerer Treiber des Fortschrittes als die Technologie ist schon immer die menschliche Neugierde gewesen. Sie ist es, die uns schon seit Anbeginn der Zivilisation begleitet, und sie ist es die uns und kommende Generationen zu immer weiteren und sicher oft revolutionären Erkenntnissen führen wird. Wenn dieses Buch einen Teil dazu beiträgt, Sie liebe Leserin und lieber Leser zu ermutigen die- ser Neugierde nachzugeben und Teilnehmerin oder Teilnehmer der großen wissenschaftlichen Abenteuerreise zu werden, so ist dieses wichtigste Ziel bereits erreicht! Dortmund Dominik Elsässer im Juli 2018 Inhaltsverzeichnis Teil I Vergangenheit Was ist Zeit? 3 Andreas Müller Zeugen des Urknalls 17 Marek A. Abramowicz und Julia Tjus Weiterführende Literatur 23 Kosmische Inflation auf dem Prüfstand 25 Paul J. Steinhardt Weiterführende Literatur 35 Wellenschlag des Urknalls 37 Lawrence M. Krauss Weiterführende Literatur 46 Der verborgene Kosmos 47 Bogdan A. Dobrescu und Don Lincoln Weiterführende Literatur 55 Teil II Gegenwart Giganten im All 59 Gerhard Börner IX X Inhaltsverzeichnis Weiterführende Literatur 72 Die ersten Sterne 73 Michael D. Lemonick Weiterführende Literatur 84 Erster Nachweis: Verschmelzende Neutronensterne 85 Markus Pössel Weiterführende Literatur 103 Das wechselhafte Leben der Sterne 105 Ralf Launhardt Weiterführende Literatur 120 Exoplaneten – eine Spurensuche 121 Lisa Kaltenegger Weiterführende Literatur 137 Teil III Zukunft Die ferne Zukunft der Sterne 141 Donald Goldsmith Weiterführende Literatur 150 Brisante Dunkle Energie 151 Adam G. Riess und Mario Livio Weiterführende Literatur 161 Einsteins Weg zur allgemeinen Relativitätstheorie 163 Michel Janssen und Jürgen Renn Weiterführende Literatur 173 Multiversum in Beweisnot 175 George F. R. Ellis Weiterführende Literatur 184 Kann die Zeit enden? 187 George Musser Weiterführende Literatur 199