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CL013 - Die Entdeckung der dunklen Materie

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Die Episode über Euclid, Vera Rubin und die Entdeckung der Dunklen Materie

CL013 - Die Entdeckung der dunklen Materie und Euclid

Die Episode über Dunkle Materie, Vera Rubin und Euclid

Einleitung

Wir beginnen die Episode damit, dass wir feststellen, dass wir beim letzten Mal vergessen haben über Elkas Job beim Planetarium Wien zu sprechen, was wir sogleich nachholen. Eines des Hauptthemen dieser Episode ist aber der Start der aktuellen ESA Mission Euclid und das Dunkle Universum.

Euclid

Am 1. Juli soll Euclid mit einer Falcon-9 Rakete von SpaceX von Florida (USA) aus starten. Ihr Ziel ist der 1,5 Mio. km entfernte Erde-Sonne Lagrange Punkt 2 - ein ganz besonderer Ort im Weltraum, denn dort heben sich die Gravitationskräfte zwischen Erde und Sonne auf. Es ist daher ein beliebter "Parkplatz" für Weltraum-Instrumente, da sie sich hier fast ohne Antrieb in einem Orbit um die Sonne bewegen. Das James Webb Space Telescope etwa befindet sich bereits dort. Wer es genauer wissen möchte, findet hier ein gutes Video dazu von Space Night Science in der ARD Mediathek.

Ist Euclid erst mal angekommen, wird es sich mit dem Dunklen Universum beschäftigen. Mit seinen beiden Instrumenten wird es im sichtbaren und im Nah-Infrarot Bereich Beobachtungen durchführen. Das Ziel ist die Erstellung der größten und genauesten 3D-Karte des Universums. Dabei wird es Milliarden von Galaxien in einer Entfernung von bis zu 10 Milliarden Lichtjahren durchmustern. Anhand dieser Karte soll erforscht werden, wie sich das Universum ausgedehnt und wie sich großräumige Strukturen im Laufe der kosmischen Geschichte entwickelt haben. Dabei soll zwei Komponenten besondere Aufmerksamkeit entgegen gebracht werden, über die wir generell noch wenig wissen und die Kosmologie immer noch vor große Fragen stellt.

Dunkle Energie und Dunkle Materie

Das Dunkle Universum macht stattliche 95% des Universums aus, nur 5% sind sichtbare Materie, die wir kennen - das ist all das Material aus dem die Sterne, Planeten und wir Menschen bestehen. Der Rest teilt sich auf in Dunkler Energie (72%) und Dunkler Materie (23%).

Sie beeinflussen die Bewegung und Verteilung der sichtbaren Quellen (was wir eindeutig beobachten können), aber sie emittieren oder absorbieren kein Licht (weswegen wir sie nicht beobachten können), und die Wissenschaft weiß daher noch nicht, was sie sind und woraus sie genau bestehen. Ihre Natur und ihre Eigenschaften zu verstehen sind daher eine der größten Herausforderungen der Kosmologie.

Dunkle Energie und Dunkle Materie sind dabei etwas von Grund auf Verschiedenes. Denn während die Dunkle Energie die Beschleunigung des Universums voranrtreibt, ist es die Dunkle Materie die Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhält. Sie wirken also auf ganz unterschiedlichen Ebenen.

Die Geschichte der Dunklen Materie

Hinweise zur Dunklen Materie gab es bereits relativ früh- bis man ihr auf die Schliche gekommen ist, dauerte es aber, wie so oft in der Geschichte, dann doch wieder etwas länger, in diesem Fall gut vierzig Jahre.

Begonnen hat alles in den 1930er Jahren und dem schweizer Astronom Fritz Zwicky, der die Geschwindigkeit von Galaxien im Coma Haufen (der aus 1000 Galaxien besteht) gemessen hat.

So wie Planeten in einem Sonnensystem, sind auch Galaxien in einem Galaxienhaufen gravitativ aneinander gebunden. Wäre es nicht so, dann gäbe es keinen Haufen, keine Galaxie und kein Sonnensystem. Wenn die Gravitationskraft der Sonne die Planeten nicht festhalten würde, dann würden sie ins All entkommen. Die Gravitationskraft steht dabei in direktem Zusammenhang mit der Masse, desto mehr Masse desto stärker ist auch die Gravitationskraft. Würde man zum Beispiel die Masse der Sonne halbieren, dann wäre auch die Kraft, die sie auf die Planeten ausübt, nur noch halb so stark. Misst man nun die Geschwindigkeit, mit der sich die Planeten um die Sonne bewegen, dann kann daraus ihre Mindestmasse berechnet werden und die Masse, die notwendig ist, um die Planeten am Verlassen des Sonnensystems zu hindern.

Zwickys Berechnungen ergaben nun, dass sich die Galaxien zu schnell bewegten, sie die Fluchtgeschwindigkeit überschritten und sich der Haufen eigentlich auflösen müsste. Da er aber offensichtlich vorhanden war, die sichtbare (also leuchtende) Masse aber um das 400-fache zuwenig war, schloss er, dass es eine, für ihn aktuell nicht sichtbare Materie geben musste, die auf den Haufen wirkte. Er gab ihr den Namen "Dunkle Materie".

Vera Rubin macht Dunkle Materie populär

Das ganze geriet jedoch in Vergessenheit - bis 1970. In diesem Jahr veröffentliche die amerikanische Astronomin Vera Rubin ihre Arbeit, in der sie die Rotationsgeschwindigkeit der Andromeda Galaxie untersucht hatte (“Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions"). Ähnlich wie bei Zwicky, ergaben nun die Messungen von Rubin, dass sich die Sterne am äußeren Rand der Galaxie zu schnell bewegten. Entgegen den Erwartungen, nahm die Geschwindigkeit der Stern mit zunehmenden Abstand nicht ab. Wir kennen das in unserem Sonnensystem. Je näher ein Planet seinem Stern ist, desto schneller bewegt er sich: Merkur benötigt für eine Umrundung umn die Sonne 88 Tage, die Erde 365 Tage und bei Neptun sind es 165 Jahre.
Das folgt direkt aus dem Newtonschen Gravitationsgesetz bzw. Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Je weiter man sich von einem schweren Objekt entfernt, desto geringer ist der Einfluss seiner Gravitationskraft. In einer Galaxie sollte es eigentlich so ähnlich sein. Je weiter entfernt sich ein Stern vom Zentrum befindet, desto schwächer spürt er den Einfluss der Gravitationskraft und desto langsamer sollte er sich bewegen.

In dem Diagramm aus ihrer Arbeit, ist aber deutlich zu sehen, dass die Geschwindigkeitskurve mit zunehmender Entfernung vom Zentrum der Galaxie nicht abflacht, sondern ab einem gewissen Punkt gleichbleibend ist. Die Sterne in den äußeren Bereichen der Galaxie bewegten sich also eindeutig zu schnell.

Bild Rotationskurve einer Galaxie (von V. Rubin)

Das lässt sich nur damit erklären, dass dort noch Materie vorhanden ist, wo die leuchtende Materie längst zu Ende ist. Die Galaxien schienen also von einer großen Wolke aus dunkler Materie umgeben zu sein. Ihr gravitativer Einfluss führte dazu, dass sich die Sterne schneller bewegten, als man erwarten würde.

Man hatte also nun bereits Daten auf zwei verschiedenen Größenskalen: und zwar die Bewegung von Galaxien in Galaxienhaufen, die Zwicky beobachtet hatte, und nun auch noch die Bewegung von Sternen in Galaxien, die von Rubin und diversen anderen Astronomen analysiert wurde. Beide zeigten, dass sich die Himmelskörper so verhielten, als gäbe es neben der normalen, sichtbaren Materie auch noch eine “dunkle Materie”, die nicht leuchtet.

Vera Rubins Arbeit hat unser Verständnis des Universums deutlich verändert. Sie konnte die Existenz eines Phänomens, das gravitativ mit Sternen und Galaxien wechselwirkt und das nicht mit der von der Gravitationstheorie vorhergesagten Bewegung übereinstimmt, klar und deutlich belegen. Viele Forschende sind sich einig, dass Rubin für ihre Arbeit den Physik-Nobelpreis verdient hätte. Leider ist ihr dieser jedoch bis zu ihrem Lebensende im Jahr 2016 versagt geblieben.

Weiterführende Links

ESA Euclid

Überblicks-Informationen zu Euclid von der ESA

ESA Launch Kit Euclid

Serie über Dunkle Materie von Astrodicticum Simplex

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Wir beginnen die Episode damit, dass wir feststellen, dass wir beim letzten Mal vergessen haben über Elkas Job beim Planetarium Wien zu sprechen, was wir sogleich nachholen. Eines des Hauptthemen dieser Episode ist aber der Start der aktuellen ESA Mission Euclid und das Dunkle Universum.

Euclid

Am 1. Juli soll Euclid mit einer Falcon-9 Rakete von SpaceX von Florida (USA) aus starten. Ihr Ziel ist der 1,5 Mio. km entfernte Erde-Sonne Lagrange Punkt 2 - ein ganz besonderer Ort im Weltraum, denn dort heben sich die Gravitationskräfte zwischen Erde und Sonne auf. Es ist daher ein beliebter "Parkplatz" für Weltraum-Instrumente, da sie sich hier fast ohne Antrieb in einem Orbit um die Sonne bewegen. Das James Webb Space Telescope etwa befindet sich bereits dort. Wer es genauer wissen möchte, findet hier ein gutes Video dazu von Space Night Science in der ARD Mediathek.

Ist Euclid erst mal angekommen, wird es sich mit dem Dunklen Universum beschäftigen. Mit seinen beiden Instrumenten wird es im sichtbaren und im Nah-Infrarot Bereich Beobachtungen durchführen. Das Ziel ist die Erstellung der größten und genauesten 3D-Karte des Universums. Dabei wird es Milliarden von Galaxien in einer Entfernung von bis zu 10 Milliarden Lichtjahren durchmustern. Anhand dieser Karte soll erforscht werden, wie sich das Universum ausgedehnt und wie sich großräumige Strukturen im Laufe der kosmischen Geschichte entwickelt haben. Dabei soll zwei Komponenten besondere Aufmerksamkeit entgegen gebracht werden, über die wir generell noch wenig wissen und die Kosmologie immer noch vor große Fragen stellt.

Dunkle Energie und Dunkle Materie

Das Dunkle Universum macht stattliche 95% des Universums aus, nur 5% sind sichtbare Materie, die wir kennen - das ist all das Material aus dem die Sterne, Planeten und wir Menschen bestehen. Der Rest teilt sich auf in Dunkler Energie (72%) und Dunkler Materie (23%).

Sie beeinflussen die Bewegung und Verteilung der sichtbaren Quellen (was wir eindeutig beobachten können), aber sie emittieren oder absorbieren kein Licht (weswegen wir sie nicht beobachten können), und die Wissenschaft weiß daher noch nicht, was sie sind und woraus sie genau bestehen. Ihre Natur und ihre Eigenschaften zu verstehen sind daher eine der größten Herausforderungen der Kosmologie.

Dunkle Energie und Dunkle Materie sind dabei etwas von Grund auf Verschiedenes. Denn während die Dunkle Energie die Beschleunigung des Universums voranrtreibt, ist es die Dunkle Materie die Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhält. Sie wirken also auf ganz unterschiedlichen Ebenen.

Die Geschichte der Dunklen Materie

Hinweise zur Dunklen Materie gab es bereits relativ früh- bis man ihr auf die Schliche gekommen ist, dauerte es aber, wie so oft in der Geschichte, dann doch wieder etwas länger, in diesem Fall gut vierzig Jahre.

Begonnen hat alles in den 1930er Jahren und dem schweizer Astronom Fritz Zwicky, der die Geschwindigkeit von Galaxien im Coma Haufen (der aus 1000 Galaxien besteht) gemessen hat.

So wie Planeten in einem Sonnensystem, sind auch Galaxien in einem Galaxienhaufen gravitativ aneinander gebunden. Wäre es nicht so, dann gäbe es keinen Haufen, keine Galaxie und kein Sonnensystem. Wenn die Gravitationskraft der Sonne die Planeten nicht festhalten würde, dann würden sie ins All entkommen. Die Gravitationskraft steht dabei in direktem Zusammenhang mit der Masse, desto mehr Masse desto stärker ist auch die Gravitationskraft. Würde man zum Beispiel die Masse der Sonne halbieren, dann wäre auch die Kraft, die sie auf die Planeten ausübt, nur noch halb so stark. Misst man nun die Geschwindigkeit, mit der sich die Planeten um die Sonne bewegen, dann kann daraus ihre Mindestmasse berechnet werden und die Masse, die notwendig ist, um die Planeten am Verlassen des Sonnensystems zu hindern.

Zwickys Berechnungen ergaben nun, dass sich die Galaxien zu schnell bewegten, sie die Fluchtgeschwindigkeit überschritten und sich der Haufen eigentlich auflösen müsste. Da er aber offensichtlich vorhanden war, die sichtbare (also leuchtende) Masse aber um das 400-fache zuwenig war, schloss er, dass es eine, für ihn aktuell nicht sichtbare Materie geben musste, die auf den Haufen wirkte. Er gab ihr den Namen "Dunkle Materie".

Vera Rubin macht Dunkle Materie populär

Das ganze geriet jedoch in Vergessenheit - bis 1970. In diesem Jahr veröffentliche die amerikanische Astronomin Vera Rubin ihre Arbeit, in der sie die Rotationsgeschwindigkeit der Andromeda Galaxie untersucht hatte (“Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions"). Ähnlich wie bei Zwicky, ergaben nun die Messungen von Rubin, dass sich die Sterne am äußeren Rand der Galaxie zu schnell bewegten. Entgegen den Erwartungen, nahm die Geschwindigkeit der Stern mit zunehmenden Abstand nicht ab. Wir kennen das in unserem Sonnensystem. Je näher ein Planet seinem Stern ist, desto schneller bewegt er sich: Merkur benötigt für eine Umrundung umn die Sonne 88 Tage, die Erde 365 Tage und bei Neptun sind es 165 Jahre.
Das folgt direkt aus dem Newtonschen Gravitationsgesetz bzw. Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Je weiter man sich von einem schweren Objekt entfernt, desto geringer ist der Einfluss seiner Gravitationskraft. In einer Galaxie sollte es eigentlich so ähnlich sein. Je weiter entfernt sich ein Stern vom Zentrum befindet, desto schwächer spürt er den Einfluss der Gravitationskraft und desto langsamer sollte er sich bewegen.

In dem Diagramm aus ihrer Arbeit, ist aber deutlich zu sehen, dass die Geschwindigkeitskurve mit zunehmender Entfernung vom Zentrum der Galaxie nicht abflacht, sondern ab einem gewissen Punkt gleichbleibend ist. Die Sterne in den äußeren Bereichen der Galaxie bewegten sich also eindeutig zu schnell.

Bild Rotationskurve einer Galaxie (von V. Rubin)

Das lässt sich nur damit erklären, dass dort noch Materie vorhanden ist, wo die leuchtende Materie längst zu Ende ist. Die Galaxien schienen also von einer großen Wolke aus dunkler Materie umgeben zu sein. Ihr gravitativer Einfluss führte dazu, dass sich die Sterne schneller bewegten, als man erwarten würde.

Man hatte also nun bereits Daten auf zwei verschiedenen Größenskalen: und zwar die Bewegung von Galaxien in Galaxienhaufen, die Zwicky beobachtet hatte, und nun auch noch die Bewegung von Sternen in Galaxien, die von Rubin und diversen anderen Astronomen analysiert wurde. Beide zeigten, dass sich die Himmelskörper so verhielten, als gäbe es neben der normalen, sichtbaren Materie auch noch eine “dunkle Materie”, die nicht leuchtet.

Vera Rubins Arbeit hat unser Verständnis des Universums deutlich verändert. Sie konnte die Existenz eines Phänomens, das gravitativ mit Sternen und Galaxien wechselwirkt und das nicht mit der von der Gravitationstheorie vorhergesagten Bewegung übereinstimmt, klar und deutlich belegen. Viele Forschende sind sich einig, dass Rubin für ihre Arbeit den Physik-Nobelpreis verdient hätte. Leider ist ihr dieser jedoch bis zu ihrem Lebensende im Jahr 2016 versagt geblieben.

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