In dieser Folge der Sternengeschichten geht es um den Himmel. Es geht um die Wolken, die dort ab und zu zu sehen sind und es geht um den Einfluss ferner Sterne und der nahen Sonne auf die Entstehung dieser Wolken. Das klingt erstmal seltsam, denn wie soll das, was fern der Erde irgendwo im All passiert, dafür sorgen können, dass an unserem Himmel Wolken entstehen? Aber bei genauerer Betrachtung ist die Sache gar nicht mehr seltsam, sondern sehr interessant. Und nicht nur das: Es ist auch höchst relevant, denn ob wir viele oder wenige Wolken am Himmel haben, hat Einfluss auf das Klima der Erde. Der Zusammenhang zwischen Wolken und Weltall ist so wichtig, dass am europäischen Kernforschungszentrum CERN sogar ein eigenes Experiment zur Erforschung dieses Phänomens durchgeführt wurde und genau das ist das Thema dieser Folge der Sternengeschichten.

Wir müssen dafür aber ein bisschen früher anfangen, im Jahr 1912 und mit dem österreichischen Physiker Victor Franz Hess, der damals in einem Ballon aufgestiegen ist, um Messungen der elektrischen Leitfähigkeit in der Atmosphäre durchzuführen. Dabei hat er das entdeckt, was wir heute "kosmische Strahlung" nennen und worüber ich in Folge 317 der Sternengeschichten schon einmal ausführlich gesprochen habe. Kurz zusammengefasst handelt es sich dabei um geladene, hochenergetische Teilchen. Vor allem Protonen, aber zu einem kleinen Teil auch aus Alpha-Teilchen, also Atomkernen von Heliumatomen. Elektronen und ein paar andere Atomkerne sind auch in geringen Mengen dabei und die Quelle all dieser Partikel sind vor allem Sterne. Sie leuchten nicht nur, sondern schleudern auch Teilchen aus ihren äußeren Gasschichten hinaus ins All. Dazu kommen andere astrophysikalische Phänomene wie zum Beispiel Supernova-Explosionen, bei denen ebenfalls jede Menge Teilchen durch die Gegend geschleudert werden. Kurz gesagt: Das All ist voll mit geladenen Teilchen, die kreuz und quer durch die Gegend sausen. Für uns hier auf der Erde können wir die kosmische Strahlung in zwei Komponenten teilen. Da sind einerseits die Teilchen, die von unserer Sonne stammen. Und dann gibt es noch die galaktische kosmische Strahlung, also das, was von außerhalb des Sonnensystems zu uns gelangt.

Im Weltall ist die kosmische Strahlung gefährlich und gesundheitschädlich für uns; am Erdboden schützen uns Magnetfeld und Atmosphäre davor. Aber IN der Atmosphäre kann die kosmische Strahlung durchaus Auswirkungen haben. Wenn die hochenergetischen Teilchen auf die Moleküle der Luft treffen, können diese dadurch aufgespalten und ionisiert, also elektrisch geladen werden. Die Details sind komplex und wir kommen später noch darauf zurück. Aber durch die Ionisation können sich in der Luft auch leichter sogenannte Aerosole bilden, also kleinste Partikel, an denen sich Wassertröpfchen anlagern können. Die Aersole sind der Ausgangspunkt der Wolkenbildung und es gibt sie auch ganz ohne kosmische Strahlung. Pollen, Russ, Mikroorganismen, usw: Alles mögliche was in der Luft schwebt, kann die Entstehung von Wolken verursachen. Und eigentlich sollte die kosmische Strahlung da auch nicht weiter groß auffallen: Beziehungsweise nur, wenn sich ihre Intensität verändert, wenn also mal mehr und mal weniger davon auf die Erde kommt. Dann könnten wir, im selben Rhythmus, auch mal mehr und mal weniger Wolken haben. Und es gibt tatsächlich ein Phänomen, dass die Intensität der kosmischen Strahlung auf diese Weise steuern könnte: Die Aktivität der Sonne. Unser Stern ist unterschiedlich aktiv, das heißt die durch die Magnetfelder der Sonne gesteuerte Bewegung der geladenen Teilchen des Sonnenplasmas ist mal mehr und mal weniger turbulent, in einem Rhythmus von circa 11 Jahren. Dadurch ändert sich auch die Menge an Teilchen, die die Sonne ins All hinaus pustet. Es geht jetzt aber nicht um die Teilchen der Sonne selbst, sondern das, was sie mit den Teilchen anstellen, die von außerhalb des Sonnensystems kommen. Der Prozess ist kompliziert, aber im Wesentlichen läuft es so ab: Die galaktische kosmische Strahlung kommt von außen, in das Sonnensystem hinein. Die solare kosmische Strahlung bewegt sich von innen aus dem Sonnensystem hinaus. Wenn die Sonnenaktivität hoch ist, ist die Stärke dieses Teilchenstroms groß. Auch das Magnetfeld der Sonne verändert sich und die "Magnetosphäre", also der Einflussbereich des solaren Magnetfeldes vergrößert sich. Oder anders gesagt: Ist die Sonnenaktivität hoch, kann weniger galaktische kosmische Strahlung von außen ins Sonnensystem kommen. Es kommt weniger davon auf der Erde an und ihr Einfluss auf die Atmosphäre und die Wolkenbildung wird geringer. Oder noch einmal anders gesagt: Die Wolkenbedeckung der Erde könnte durch die periodische Sonnenaktivät und die dadurch verursachte periodische Veränderung der Intensität der galaktischen kosmischen Strahlung verändert werden. Die Konsequenzen sind unter Umständen sogar noch größer: Wenn in Zeiten hoher Sonnenaktivität weniger Wolken in der Atmosphäre entstehen, wird es auf der Erde heißer. Das Zusammenspiel von Sonnenaktivität und galaktischer kosmischer Strahlung könnte also das Klima der Erde beeinflussen.

Genau das war die Hypothese, die 1997 von den dänischen Physikern Eigil Friis-Christensen und Henrik Svensmark veröffentlicht wurde. Ihre Behauptung: Die Erwärmung der Erde, die man auch damals schon registriert hatte, hat nur wenig mit irgendwelchen menschengemachten Treibhausgase zu tun, sondern viel mehr mit der Sonnenaktivität. Ich habe darüber auch schon in Folge 368 der Sternengeschichten gesprochen und wer sich noch daran erinnert wird auch wissen, dass ich damals gesagt habe, dass diese Hypothese sich als falsch herausgestellt hat. Das ist immer noch der Fall, aber es lohnt sich, ein bisschen genauer darauf zu schauen, wie der Weg zu dieser Erkenntnis war. Denn erstmal ist die Hypothese von Svensmark und Friis-Christensen durchaus plausibel. All das, was ich vorhin beschrieben habe, ist tatsächlich so: Kosmische Strahlung kann einen Beitrag zur Wolkenbildung leisten. Unklar war zum damaligen Zeitpunkt aber noch das Ausmaß des Effekts. Svensmark war der Ansicht, dass der Einfluss der kosmischen Strahlung durchaus sehr relevant ist und viele andere sind ihm in dieser Interpretation gefolgt. Jede Menge Forscherinnen und Forscher waren aber auch skeptisch, weil die Datenlage nicht wirklich ausreichend war, um solche weitreichenden Aussagen treffen zu können. Und was macht man in so einem Fall? Seriöserweise forscht man weiter und kümmert sich vor allem um bessere Daten. Beides ist in den Jahren nach 1997 ausführlich passiert. In vielen hunderten wissenschaftlichen Arbeiten hat man sich auf alle möglichen Arten mit der Hypothese auseinandergesetzt. Und der britische Physiker Jasper Kirkby hat sich daran gemacht, ein Experiment zu entwerfen, um die Sache ein für alle mal zu klären. Schon 1998 hat er die Idee zu CLOUD gehabt. Das Wort bedeutet nicht nur "Wolke" auf englisch, sondern ist natürlich auch ein Akronym, wenn auch ein etwas bemühtes. CLOUD steht für "Cosmics Leaving OUtdoor Droplets", was so viel heißt wie "kosmische Strahlung erzeugt draußen Tropfen". Na ja…

Die Idee war aber gut. Kirkby war Physiker am europäischen Kernforschungszentrum CERN und hat sich gedacht: Hochenergetische Protonen und Alpha-Teilchen kriegen wir mit unseren Beschleunigern auch hin! Wir können quasi künstliche kosmische Strahlung produzieren und dann unter kontrollierten Bedingungen ihre Auswirkung auf Wolkenbildung untersuchen. Denn das war ja das Problem mit der Hypothese von Svensmark und Friis-Christensen: Man hat sie aus Beobachtungsdaten der Wolkenbedeckung abgeleitet, aus Messdaten der kosmischen Strahlung und die stammen natürlich alle aus der realen Welt. Und in der realen Atmosphäre geht jede Menge ab; da befinden sich jede Menge Gase, Teilchen, Aerosole, und so weiter und wir können das nicht alles auf einmal im Blick behalten. Viel deutlicher wird das Bild, wenn wir uns eine künstliche Atmosphäre basteln, wo nur das drin ist, was wir auch vorher reinstecken und wenn wir dann mit von uns selbst erzeugter kosmischer Strahlung drauffeuern. Dann haben wir alles unter Kontrolle und können genau schauen, unter welchen Bedingungen die kosmische Strahlung welchen Einfluss hat. Genau das war Kirkbys Idee zu CLOUD und genau das haben er und sein Team in den nächsten Jahren am CERN umgesetzt. 2006 wurde die ersten Tests gestartet, die gezeigt haben, dass die Anlage funktioniert und das macht, was sie machen soll. Und 2011 wurden dann auch die Ergebnisse des ersten echten CLOUD-Experimente publiziert. Bei den Testläufen hatte man vor allem Schwefelsäure untersucht, die in der realen Atmosphäre an der Entstehung von Wolkenbildungskernen beteiligt ist. Man hat aber auch gesehen, dass Schwefelsäure alleine nicht ausreicht, um ein realistisches Bild zu erhalten. Deswegen hat man für die echten Experimente auch noch andere Gase in die Testatmosphäre eingebracht. Zum Beispiel Ammoniak, und wenn man das in den Mengen hinzufügt, die man auch in der realen Atmosphäre findet, wird es spannend. CLOUD hat gezeigt, dass Ammoniak die Nukleationsrate von Schwefelsäure massiv erhöht. Nukleationsrate, das heißt die Rate, mit der sich Schwefelsäureteilchen zu größeren Aerosolen verbinden können. Und "massiv erhöht" heißt: Um das circa hundert bis tausendfache. Ammoniak kann sich an die Schwefelsäure anlagern und so dabei helfen, die Teilchen stabil zu halten, die ansonsten schnell wieder verdampfen würden. Die ersten CLOUD-Daten haben aber auch gezeigt, dass kosmische Strahlung zu einer Erhöhung der Nukleationsrate führt.

2013 hat man dann weitere Ergebnisse publizieren können. Diesmal hat man sich die Rolle von Aminen angesehen. Amine sind organische Moleküle, die zum Beispiel von Pflanzen erzeugt werden und die haben sich als noch effektiver herausgestellt, wenn es darum geht, die Wolkenbildungskerne anwachsen zu lassen und zu stabilisieren. So effektiv, dass der Einfluss der kosmischen Strahlung auf einmal gar nicht mehr so groß ist. Etwas vereinfacht gesagt: Ein sehr geringe Menge an Aminen in der Atmosphäre reicht aus, um quasi alles wegzunukleieren, was da ist - ob dann auch noch kosmische Strahlung ein wenig bei der Aerosolbildung hilft oder nicht, spielt fast keine Rolle mehr. Noch genauer hat man dann 2016 Bescheid gewusst: Da hat man mit CLOUD auch die Variationen der kosmischen Strahlung simuliert, die im Laufe eines Sonnenzyklus zu erwarten sind und festgestellt: Das führt nur zu einer Veränderung der Konzentration an Wolkenkondensationskernen von circa 0,1 Prozent. Spätere CLOUD-Messungen haben das bestätigt: Der Einfluss der galaktischen kosmischen Strahlung auf die Wolkenbildung existiert. Aber er ist viel zu klein, um auch nur irgendwie relevant für das Klima der Erde sein zu können. Gleichzeitig haben andere Forschungsarbeiten unabhängig von CLOUD auf anderen Wegen ebenfalls gezeigt, dass die Hypothese von Svensmark und Friis-Christensen zwar prinzipiell plausibel ist, der Effekt aber vernachlässigbar für das Klima.

Heute gibt es keinen wissenschaftlich seriösen Zweifel mehr daran, dass es die menschengemachten Treibhausgase sind, die das Erdklima erwärmen- und vom wissenschaftlich unseriösen Zweifel will ich gar nicht reden, denn natürlich geistert die Hypothese mit dem Einfluss der Sonnenaktivität auf das Klima immer noch durch die Welt, wird aber nur noch von Leuten vertreten, die entweder keine Ahnung vom Stand des Wissens haben oder ihn aktiv ignorieren um ihre eigenen Ziele durchzusetzen.

Die ganze Geschichte um die kosmische Strahlung und das Klima war aus wissenschaftlicher Sicht ein großer Erfolg. Es gab eine Hypothese, die Wissenschaft hat sich lange und ausführlich damit beschäftigt, und jetzt wissen wir mehr als vorher, auch wenn die Hypothese sich als falsch herausgestellt hat. Und auch CLOUD war ein großer Erfolg. Wir wissen jetzt zum Beispiel, wie wichtig die verschiedensten Spurengase wie Ammoniak oder Amine für die Wolkenbildung sind - und noch viel mehr. CLOUD hat auch untersucht, wie kosmische Strahlung sich zum Beispiel auf die Entstehung gesundheitsschädlicher Gase wie Ozon auswirkt; wir erforschen damit, wie extreme Strahlunsgereignisse wie Supernova-Explosionen unsere Atmosphäre vielleicht in der Vergangenheit beeinflusst haben, und so weiter. Die Wolkenkammer im Teilchenbeschleuniger wird auch in Zukunft noch weitere Erkenntnisse liefern. Und wir werden besser verstehen, wie die fernen Sterne unseren Himmel verändern können.

In dieser Folge der Sternengeschichten geht es hinaus in die große Leere des Universums. Die ist aber nicht völlig leer - auch dort findet man Galaxien, mitten im Nichts. Aber, fragen sich jetzt vielleicht einige, wo sollen Galaxien denn sonst sein, wenn sie nicht mitten im Nichts sind? Der Weltraum ist leer und dort wo er nicht leer ist, befinden sich die Galaxien mit ihren Sternen. Und das ist zwar richtig, aber nicht ganz. In Folge 63 der Sternengeschichten habe ich schon mal über die großräumige Struktur des Universums gesprochen. Die Materie ist nämlich nicht gleichmäßig verteilt und wenn ich "Materie" sage, dann meine ich jetzt nicht einzelne Asteroiden, Planeten oder Sterne. Wir betrachten den Kosmos jetzt auf einer viel größeren Skala. Selbst einzelne Galaxien sind noch zu klein, wir schauen auf die Galaxienhaufen und die Superhaufen, die aus vielen Galaxienhaufen bestehen. Untersucht man, wie die im Weltall verteilt sind, dann zeigt sich ein interessantes Bild. Sie sind nicht gleichmäßig oder zufällig verteilt, sondern bilden eine Struktur, die man das "kosmische Netz" nennt. Die Galaxienhaufen reihen sich zu riesigen, fadenartigen Strukturen auf, den Filamenten. Und diese Filamente umschließen ebenso riesige Leerräume, die Voids. Voids können ein paar hundert Millionen Lichtjahre groß sein und auch die Filamente erreichen eine ähnliche Länge. Aber dieses Bild ist - wie ich zu Beginn gesagt habe - ein wenig vereinfacht. In den Voids ist nicht einfach Nichts. Im Vergleich zu den Filamenten rundherum sind sie zwar mehr oder weniger leer. Aber tatsächlich findet man auch in den Voids Materie, nur eben sehr, sehr viel weniger als in den Filamenten. Es gibt sogar Galaxien, die sich mitten in den Voids befinden und das sind - wenig überraschend - die Void-Galaxien.

Genau die schauen wir uns jetzt an und es wird sich lohnen, sie angesehen zu haben. Aber dazu kommen wir später noch. Nehmen wir zum Beispiel MCG +01-02-015. Mit dieser unspektakulären Bezeichnung ist eine Spiralgalaxie gemeint, die ungefähr 300 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist. Man kann sie - ein ausreichend starkes Teleskop vorausgesetzt - am Himmel dort sehen, wo sich das Sternbild der Fische befindet. Betrachtet man typische astronomische Aufnahmen dieser Galaxie, dann sehen sie auf den ersten Blick nicht weiter außergewöhnlich aus. In der Mitte die große Spiralgalaxie und drumherum jede Menge andere Galaxien. Aber man darf dabei nicht vergessen, dass die astronomischen Bilder uns nur einen zweidimensionalen Eindruck der dreidimensionalen Realität zeigen. Nur weil da ein paar Galaxien nebeneinander zu sehen sind, bedeutet das nicht, dass sie auch tatsächlich nahe beieinander liegen. Das wahre Bild zeigt sich erst, wenn man auch die echten, physischen Abstände der Galaxien bestimmt und dann sieht man, dass MCG +01-02-015 mitten in einer großen Leere liegt. In einem Umkreis von gut 100 Millionen Lichtjahren findet sich keine andere Galaxie. Sie befindet sich mitten in einer Void und wir können froh sein, dass wir selbst einen deutlich weniger isolierten Platz im Universum bewohnen. Unsere nächste große Nachbargalaxie ist die Andromeda, mit einer Distanz von circa 2,5 Millionen Lichtjahren. Und dann sind da noch jede Menge weitere Galaxien, die mit unserer Milchstraße zusammen die Lokale Gruppe bilden. Neben der Lokalen Gruppe gibt es noch weitere Galaxiengruppen in unserer Umgebung. 54 Millionen Lichtjahre von uns entfernt sehen wir zum Beispiel die mehr als 2000 Galaxien, die den Virgo-Galaxienhaufen bilden oder anders gesagt: Die Umgebung der Milchstraße ist voll mit tausenden Galaxien. MCG +01-02-015 existiert dagegen völlig isoliert vom Rest des Universums. Würden wir dort leben, hätte sich unser Wissen über den Kosmos vermutlich ganz anders entwickelt. Wir haben schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts entdeckt, dass es andere Galaxien gibt und das Universum absurd groß ist. Würden wir dagegen von MCG +01-02-015 hinaus ins All blicken, wären unsere Teleskope erst irgendwann in den 1960er Jahren gut genug gewesen, um die Existenz anderer Galaxien entdecken zu können.

Aber zum Glück leben wir nicht in einer Void. Wir müssen nicht aus der Leere hinaus schauen, sondern können aus den dichtbesiedelten Filamenten des kosmischen Netzes die Voids und ihre Galaxien erforschen. Und haben mittlerweile schon einiges über sie herausgefunden. Es sind keine prinzipiell anderen Galaxien, die dort in der großen Leere entstehen. Aber wenn wir im Detail hinschauen, sehen wir ein paar relevante Unterschiede. Eine Untersuchung der Void-Galaxien hat zum Beispiel gezeigt, dass sie alle tendenziell jünger sind; das heißt die Sterne dort sind im Durchschnitt nicht so alt wie anderswo und sie haben eine geringere Metallizität. Der Grund dafür: Die Leere verzögert das Wachstum. Void-Galaxien bilden sich später und langsamer als andere Galaxien. Das ist auch nicht überraschend, denn in den Voids gibt es ja auch weniger Materie als anderswo und deswegen laufen die Prozesse anders ab. Ich kann in dieser Folge nicht die kompletten Grundlagen der Galaxienentstehung behandeln, aber kurz gesagt läuft das so ab: Das Universum ist voll mit riesigen Wolken aus dunkler Materie. In den Zentren dieser Wolken ist die Dichte der dunklen Materie ein bisschen größer als anderswo, deswegen ist dort auch die Gravitationskraft stärker und die normale Materie sammelt sich dort. Aus diesen Ansammlungen bilden sich im Laufe der Zeit jede Menge Sterne und eine Galaxie ist entstanden. Wie gesagt, das ist eine sehr vereinfachte Version eines enorm komplexen Vorgangs. Aber so entstehen Galaxien und so entstehen auch die Galaxien in den Voids. Nur dass da die Wolken aus dunkler Materie kleiner und weniger dicht sind. Die Gravitationskraft die sie ausüben ist geringer und es dauert länger, bis sie das bisschen an normaler Materie, das in den Voids vorhanden ist, zu Galaxien geformt haben. Da die Sterne deswegen dort tendenziell alle ein wenig jünger sind, sind auch noch nicht so viele am Ende ihres Lebens angelangt. Das ist der Grund, warum die Metallizität der Void-Galaxien geringer ist: Metalle sind in der Astronomie ja alle chemischen Elemente, die kein Wasserstoff und kein Helium sind. Und diese anderen Elemente müssen erst durch die Vorgänge im Inneren der Sterne erzeugt werden und verteilen sich dann in der Galaxie, wenn der Stern sein Leben beendet.

Es gibt auch Hinweise, dass die Void-Galaxien nicht völlig isoliert vom Rest des Universums existieren. Einerseits haben wir auch Gruppen von Void-Galaxien beobachtet. Nicht viele; die meisten von ihnen existieren tatsächlich alleine. Aber ab und zu findet man auch Gruppen, die aus zwei, drei oder manchmal noch mehr Galaxien bestehen. Diese Void-Gruppen beeinflussen sich dann so, wie es auch die Galaxien in den normalen Galaxiengruppen tun. Sie können miteinander verschmelzen, dadurch neue Sternentstehung anregen, und so weiter. Aber es gibt auch die Vermutung, dass Material von den Filamenten in die Voids gelangt. Denn auch die Leere hat Struktur. Das bisschen an Gas und anderer Materie in den Voids bildet ebenfalls schwache Filamente, dünne Ranken, und so weiter, die sich durch das Nichts ziehen und die wirken mit ihrer Gravitationskraft quasi wie Pipelines, durch die weiteres Gas aus dem kosmischen Netz zu den Void-Galaxien gelangen kann.

Aber trotz dieser schwachen Verbindungen zur Außenwelt leben die Void-Galaxien mehr oder weniger abgetrennt vom kosmischen Netz. Genau das macht sie aber so interessant für die Wissenschaft. In den wuseligen wilden Galaxienhaufen passieren jede Menge Dinge. Alles beeinflusst sich gegenseitig und es ist schwierig, ein klares Bild der Vorgänge zu kriegen. In den Voids lebt eine Galaxie aber quasi wie in einem Labor, abgeschirmt von all den äußeren Einflüssen, die ihre Erforschung verkomplizieren. Die Void-Galaxien zeigen uns, was mit einer Galaxie passiert, wenn sie einfach nur da ist und nicht vom Rest des Universums beeinflusst wird. Mit diesem Wissen können wir die viel komplexere Realität im kosmischen Netz besser verstehen. Das Licht in der Dunkelheit der Voids macht auch den Rest des Universums ein klein wenig heller für uns.

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Folge 5 der Spezial-Serie! Ich erzähle zu Beginn etwas über das interstellare Objekt 3I/Atlas, dass sehr viel älter (und kälter) als das Sonnensystem ist und uns etwas über Planetenentstehung weit vor unserer Zeit erzählen kann. Dann geht es ein wenig um den Sommer und ums Radfahren in der echten und der virtuellen Welt. Ich beantworte eine Frage aus der Hörerschaft zur dunklen Materie und schwarzen Löchern und dann ist die Spezialfolge mit eine Hinweis zur Sonnenfinsternis auch wieder zu Ende.

Die wissenschaftliche Arbeit zu 3I/Atlas gibt es hier.

Die Sonnenfinsternisbrillen beim Astronomieverlag gibt es mit diesem Link bzw. mit dem Rabattcode STERNENGESCHICHTEN. Wer aus Österreich bestellt bitte einfach ne Mail an info@astronomieverlag.de mit dem Rabattcode schreiben.

Mein neues Buch heißt “Die Farben des Universums” und ist ab jetzt überall erhältlich wo es Bücher gibt, so wie das Sternengeschichten-Hörbuch.

Meine anderen Podcast sind "Das Universum" und "Das Klima".

Termine der Sciencebusters gibt es hier und die von "Das Universum" sind hier.

Wer den Podcast finanziell unterstützen möchte, kann das hier tun: Mit PayPal (https://www.paypal.me/florianfreistetter)), Patreon (https://www.patreon.com/sternengeschichten)) oder Steady (https://steadyhq.com/sternengeschichten))

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Der Grabstichel ist seltsam. Vor allem, weil die meisten heutzutage nicht mehr wissen, was ein Grabstichel eigentlich ist, aber dazu kommen wir noch. "Grabstichel" oder auf lateinisch "Caelum" ist auch der Name eines der achtundachtzig offiziellen Sternbilder des Himmels. Es ist aber eines der unspektakulärsten Sternbilder, zumindest auf den ersten Blick.

Von Mitteleuropa aus ist es extrem unspektakulär, denn von hier aus ist es eigentlich gar nicht zu sehen. Nur im Dezember kann man einen Teil des Sternbilds kurz sehen, aber zu sehen gibt es da eigentlich nichts. Nur zwei der Sterne dort sind heller als die 5. Größenklasse und wer die Helligkeitsklassifizierung der Astronomie kennt, weiß, dass das nicht sonderlich hell ist. Das ist gerade so an der Grenze dessen, was wir mit freiem Auge sehen können, wenn der Himmel wirklich dunkel ist. Und die restlichen Sterne sind noch leuchtschwächer. Zu den Sternen kommen wir dann noch; zuerst schauen wir kurz auf die Geschichte des Grabstichels. Eine spannende mythologische Geschichte aus der Welt der griechischen Götter ist hier nicht zu erwarten. Der Grabstichel gehört zu den vierzehn Sternbildern des südlichen Himmels, die der französische Astronom Nicolas-Louis de Lacaille im 18. Jahrhundert festgelegt hat. Er hat ab 1750 vom Kap der guten Hoffnung an der Südspitze Afrikas aus den Himmel beobachtet und kartografiert. Sein Katalog enthielt um die 10.000 Sterne des Südhimmels und um die alle in die damals auch in der wissenschaftlichen Astronomie noch üblichen Schubladen der Sternbilder einsortieren zu können, hat er ein paar neue definieren müssen. Denn am Südhimmel waren große Bereiche noch ohne Sternbilder; diese Gegend konnte man von Europa und Griechenland aus, wo die Gelehrten der Antike gelebt haben, nicht sehen. Von Südafrika aus natürlich sehr wohl und die Menschen, die schon immer dort gelebt haben, hatten natürlich eigene Sternbilder - aber das hat Leute aus Europa damals nicht interessiert. Also hat de Lacaille neue Sternbilder definiert und dabei keine mythologischen Gestalten verwendet sondern das wissenschaftliche Zeitalter der Aufklärung gefeiert. Er hat seine Sternbilder nach wissenschaftlichen Instrumenten benannt und der Grabstichel war da mit dabei.

Und ein Grabstichel ist ein Werkzeug, mit dem man Metall oder Holz gravieren kann, zum Beispiel dann, wenn man einen Kupferstich oder Holzstich anfertigen will. Das klingt jetzt nicht sehr nach Wissenschaft, aber wir befinden uns ja im 18. Jahrhundert. Da gab es keine Fotografie und wenn man Dinge abbilden und diese Abbildungen reproduzieren wollte, musste man sie malen. Oder, ein wenig exakter, einen Kupfer- oder Holzstich anfertigen. Für die Wissenschaft waren reproduzierbare Bilder damals so wichtig wie heute und der Grabstichel hat seinen Platz als wissenschaftliches Instrument am Himmel durchaus verdient.

Aber vielleicht nicht gerade diesen Platz… Wie gesagt: Das Sternbild ist erstens klein und zweitens findet man dort kaum helle Sterne. Und unter den nicht so hellen sind auch keine einzigartigen Objekte dabei; es ist eine vergleichsweise typische Auswahl. Noch am spannendsten ist vielleicht der Stern RR Caeli. Er ist 69 Lichtjahre entfernt und eigentlich zwei Sterne. Ein roter Zwergstern und ein weißer Zwerg umkreisen einander einmal alle 7 Stunden und beide werden außenrum von zwei Planeten umkreist, die beide größer als der Jupiter sind. Das vermutet man zumindest, aber entsprechende Beobachtungen aus dem Jahr 2012 sind ein wenig zweifelhaft - vielleicht gibt es dort auch keine Planeten und nur das Paar aus Zwergsternen. Abseits der Sterne findet man in dieser Region des Himmels aber leider auch keine enorm spannenden Galaxien, Nebel oder anderen Objekte. Mit einer Ausnahme: HE 0450-2958.

Die Bezeichnung klingt nicht sonderlich aufregend, aber als man dieses Objekt 2005 entdeckt hat, war die Aufregung in der Astronomie trotzdem groß. Pierre Magain und sein Team von der Universität Lüttich in Belgien haben das Ding gefunden und das "Ding" ist ein Quasar. Diese Objekte waren ja schon oft Thema in den Sternengeschichten: Kurz gesagt handelt es sich dabei um den aktiven Kern einer Galaxie. In den Zentren großer Galaxien sitzen supermassereiche schwarze Löcher. Wenn dann auch noch jede Menge Gas, Staub und anderes Zeug in der Zentralregion der Galaxie rumwirbelt, dann wirbelt viel davon auch in die Nähe des und in das schwarze Loch hinein. Dabei wird es aufgeheizt und strahlt hell. Manchmal so enorm hell, dass man diese leuchtenen Galaxienzentren auch noch über Milliarden Lichtjahre Entfernung hinweg sehen kann. Sie schauen dann auf den ersten Blick aus wie Sterne, daher auch der Name: Quasar steht für "quasi stellar", weil es natürlich keine Sterne sein können, die über solche Distanzen so hell strahlen. Normalerweise sehen wir auch nicht nur den Quasar sondern auch die ihn umgebende Galaxie. Nicht so bei HE 0450-2958: Da war nix zu finden, es war ein "nackter Quasar" beziehungsweise der "Quasar ohne Heimat" wie er in der Astronomie dann bald genannt worden ist.

Der heimatlose Quasar war ein bisschen ein Rätsel, denn eigentlich braucht es eine Galaxie, damit sich so ein supermassereiches schwarzes Loch überhaupt bilden kann. Das kann nicht isoliert und von selbst entstehen. Aber, und das war der erste Erklärungsversuch: Vielleicht sind zwei Galaxien miteinander kollidiert und der Quasar ist dabei irgendwie rausgeschleudert worden. Theoretisch ist das möglich: Wenn Galaxien aufeinander treffen, dann verschmelzen sie im Laufe der Zeit und auch die beiden zentralen Löcher verschmelzen miteinander. Dabei entstehen Gravitationswellen und wenn die nicht exakt symmetrisch abgestrahlt werden, kann das resultierende schwarze Loch eine Art "Kick" bekommen und mit ein paar hundert bis tausend Kilometer pro Sekunde aus der Galaxie geschleudert werden.

Oder aber, der Quasar ist gar nicht heimatlos, aber man kann seine Galaxie nicht sehen, weil es eine dunkle Galaxie ist, also eine, die ausschließlich aus dunkler Materie besteht. Auch so etwas ist plausibel. Wir wissen, dass der Großteil der Masse einer Galaxie aus dunkler Materie besteht, also Materie, die nicht leuchtet und auch kein Licht absorbieren oder sonst irgendwie damit wechselwirken kann. Es ist quasi unsichtbare Materie, die wir nur durch ihre Gravitationswirkung nachweisen können. Wir kennen mittlerweile auch Galaxie, die sehr, sehr viel dunkle und fast keine normale, leuchtende Materie enthalten. Und vielleicht gibt es auch komplett dunkle Galaxien.

Oder aber, der Quasar ist gerade erst dabei, seine Galaxie zu bauen. Vielleicht braucht es doch nicht zuerst eine Galaxie, in der dann ein Quasar entsteht. Vielleicht kann ein Quasar doch alleine entstehen und wenn er dann seine Strahlung in die Umgebung abgibt, und die dann auf die riesigen kosmischen Wolken aus Gas trifft, die es überall gibt, wird dort dadurch die Entstehung von Sternen ausgelöst, die am Ende eine Galaxie bilden. Wir wissen, dass auch dieser Prozess in vielen Galaxien eine wichtige Rolle spielt, aber die Details sind auch hier noch unklar.

Am Ende hat sich die Sache leider als etwas weniger spektakulär herausgestellt. Ausführliche Beobachtungen haben gezeigt, dass da doch eine vergleichsweise normale Galaxie um den angeblich nackten Quasar herum existiert. Sie ist nur vergleichsweise lichtschwach, durch Wechselwirkungen mit anderen Galaxien stark gestört; hat also eine sehr ungewöhnliche Form und wird vom Quasar selbst sehr stark überstrahlt.

Auch der "nackte Quasar" ist also nur ein normaler Teil des Himmels, so wie der ganze Rest des Sternbilds Grabstichel auch. Irgendwie ist das aber auch passend. Denn das lateinische Wort "Caelum" heißt nicht nur Grabstichel, sondern ist zufällig auch das lateinische Wort für "Himmel".

Im September 2003 hat das Teleskop des NEAT-Projekts auf Hawaii genau das getan, was es tun sollte: Nämlich einen neuen Asteroiden entdeckt. NEAT steht für Near-Earth Asteroid Tracking und war ein Programm der NASA, das zwischen 1995 und 2007 den Himmel nach Asteroiden abgesucht hat. Mehr als 40.000 davon hat man am Ende gefunden und der mit der Bezeichnung 2003 RM war einer davon. Auf den ersten Blick war an diesem Objekt, das im September 2003 entdeckt wurde, nichts weiter auffällig. Es war ein weiterer, kleiner Felsbrocken im All, vielleicht ein paar Dutzend Meter groß auf einer Umlaufbahn um die Sonne. 2003 RM ist ein erdnaher Asteroid, das heißt, seine Bahn bringt ihn in die Nähe der Erdbahn. Aber 2003 RM ist nicht gefährlich und nähert sich unserem Planeten nicht übermäßig an.

Dass es sich dabei trotzdem um ein sehr außergewöhnliches Objekt handelt, hat man erst viel später entdeckt. 2023 haben der amerikanische Astronom Davide Farnocchia und sein Team eine wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht, mit dem Titel: "2003 RM: Der Asteroid, der ein Komet sein wollte". Darin berichten sie vom Nachweis einer substanziellen nichtgravitativen Beschleunigung des kleinen Asteroids. An sich ist auch das keine große Neuigkeit. Über nichtgravitative Kräfte habe ich schon in Folge 112 erzählt. Damit sind, wenig überraschend, alle Kräfte gemeint, die auf einen Himmelskörper wirken, aber nicht die Gravitationskraft eines anderen Himmelskörpers sind. Insbesondere ist damit sehr oft der "Jarkowski-Effekt" gemeint. Kurz zusammengefasst geht es dabei um den Effekt, denn die Erwärmung und Abkühlung eines Asteroids auf seine Bewegung hat. Sonnenstrahlung wärmt den Asteroid und diese Wärme wird wieder ins All abgegeben. Wenn das ungleichmäßig passiert, dann kann die Wärmestrahlung dadurch eine kleine resultierende Kraft auf den Asteroid ausüben. Er hat dann eine Bewegung, die nicht mehr allein durch die Gravitationskraft der anderen Himmelskörper erklärt werden kann. Wir haben die Auswirkungen des Jarkowski-Effekts schon bei vielen Asteroiden nachgewiesen. Bei 2003 RM muss aber etwas anderes passieren. Farnocchia & Co konnten zeigen, dass der Jarkowski-Effekt in diesem Fall nicht in der Lage ist, das beobachtete Ausmaß der Nichtgravitativen Kraft zu erklären.

Es gibt aber natürlich noch andere Erklärungsmöglichkeiten. Eine Art von Himmelskörpern, bei denen wir ebenfalls starke nichtgravitative Kräfte beobachten, sind die Kometen. Sie bestehen ja zu einem großen Teil aus Eis, das sich erwärmt, wenn sich der Komet der Sonne nähert. Das Eis wird gasförmig und strömt hinaus ins All. Dabei wirkt es wie eine Art kleiner Raketenantrieb, der den Kometen ein Stückchen verschiebt. Aber dieses Ausgasen passiert normalerweise nicht unbemerkt; ganz im Gegenteil. Wenn das Eis gasförmig wird und ins All entkommt, reißt es dabei jede Menge Staub von der Oberfläche des Kometen mit sich ins All. So entsteht die "Koma", eine riesige Staubwolke, die den Kometenkern umgibt. Nur deswegen können wir Kometen überhaupt so gut sehen; ansonsten wären die kleinen Felsbrocken viel zu dunkel. Aber die Staubkoma kann so viel Licht reflektieren, dass wir einen Kometen unter Umständen auch ohne optische Hilfsmittel hell am Nachthimmel leuchten sehen können. Wenn dann noch die Strahlung der Sonne einen Teil des Staubs quasi davon bläst, entsteht der beeindruckende Kometenschweif.

2003 RM hat aber weder eine Koma, noch einen Schweif. Trotzdem muss dort auch irgendwas ausgasen, ansonsten lässt sich seine Bewegung kaum erklären. Der Asteroid macht also das, was normalerweise ein Komet macht, ohne dabei aber wie ein Komet auszusehen. In den Jahren danach hat man noch mehr solcher Objekte entdeckt und ihnen den Namen "dunkle Kometen" gegeben. Natürlich ist die Grenze zwischen Asteroiden und Kometen fließend. Es gibt Kometen, die im Laufe ihrer Runden um die Sonne so viel Staub und Eis verloren haben, dass sie keine Koma und keine Schweif mehr bilden können und sich kaum noch von Asteroiden unterscheiden. Und es gibt "aktive Asteroiden", also Asteroiden, die aus verschiedenen Gründen ein kometenähnliche Aktivität zeigen, und Staub und Eis hinaus ins All pusten. Das ist auch nicht überraschend, denn Asteroiden und Kometen sind ja auf die selbe Weise entstanden, nur an unterschiedlichen Orten im Sonnensystem. Die Kometen haben sich weiter entfernt von der Sonne gebildet, wo mehr Eis als Baumaterial zur Verfügung stand. Aber auch Asteroiden können Eis enthalten, das unter bestimmten Umständen ausgasen kann. Aber das sieht man normalerweise eben. Und andererseits haben die "toten" Kometen, die ihr Eis und ihren Staub verloren haben, ja auch nichts mehr, das ausgasen und nichtgravitative Kräfte verursachen kann.

Die dunklen Kometen verhalten sich da ganz anders. Man sieht die Auswirkung der nichtgravitativen Kraft, weil diese Objekte sich entsprechend bewegen. Man sieht aber nicht das, was man normalerweise sieht, wenn Eis aus einem kleinen Himmelskörper ausgast. Was also ist da los? Es gibt viele Hypothesen, warum sich die dunklen Kometen so verhalten, wie sie es tun. Sie sind tendenziell klein, so wie 2003 RM es ja auch ist. Das bedeutet aber auch, das nur vergleichsweise wenig Gas ausströmen muss, um sie relevant zu bewegen und vielleicht reicht das nicht, um auch eine sichtbare Koma zu erzeugen. Das Eis der Kometen ist im Allgemeinen auch vor allem Wassereis, es gibt aber auch andere gefrorene Stoffe, zum Beispiel Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid. Dieses Gas ist ein bisschen flüchtiger als Wasserdampf und reißt unter Umständen weniger Staub mit sich. Oder aber die dunklen Kometen besitzen weniger Staub auf ihrer Oberfläche als üblich. Normalerweise sind Asteroiden ja eher fliegende Schutthaufen als kompakte, steinige Objekte. Ihre Oberfläche ist voll mit Staub und losem Material, das leicht ins All gerissen werden kann. Bei Kometen ist das ähnlich, aber es gibt auch Prozesse, die so einen Asteroid quasi abstauben können. Zum Beispiel Kollisionen, oder aber auch eine schnelle Rotation. Ich habe ihn Folge 112 auch kurz über den sogenannten YORP-Effekt gesprochen: Da führt asymmetrische Erwärmung und Abkühlung eines Himmelskörpers zu einer Erhöhung seiner Rotationsrate. Wenn sich der Asteroid zu schnell um seine Achse dreht, kann er quasi auseinanderfallen und die einzelnen Bestandteile des fliegenden Schutthaufens trennen sich. Dabei kann auch Staub verloren gehen und die dunklen Kometen könnten das letzte Stadium so einer katastrophalen Fragmentation sein. Vielleicht ist auch das Material aus dem der dunkle Komet besteht ein wenig gröber als der übliche feine Staub und entkommt so schwerer ins All.

Es gibt viele Möglichkeiten, die Existenz der dunklen Kometen zu erklären und vermutlich spielen alle Effekte auf die eine oder andere Weise eine Rolle. Klar ist auf jeden Fall: Es lohnt sich, sie zu erforschen. Einerseits, weil sie schlicht und einfach interessant sind. Und andererseits, weil sie ein paar wichtige Informationen liefern könnten. Die dunklen Kometen können keine echten Kometen sein, also keine Objekte die fern der Sonne entstanden sind, wo genug gefrorenes Baumaterial zur Verfügung gestanden hat. Ansonsten würden sie sich ja auch wie echte Kometen verhalten… Die dunklen Kometen müssen dort entstanden sein, wo auch die anderen Asteroiden entstanden sind, also näher an der Sonne. Aber sie enthalten ausreichend viel gefrorenes Material um eine relevante Ausgasung zu haben. Das bedeutet: Es muss in der Entstehungszeit des Sonnensystems auch näher an der Sonne Bereiche gegeben haben, in denen leicht flüchtige Stoffe wie eben Eis existiert haben. Das ist interessant, denn wenn das so war, dann hat das Auswirkungen auf unsere Vorstellungen zur Entstehung von Planeten wie der Erde. Wir haben ja - zum Glück - jede Menge leicht flüchtige Stoffe, wie zum Beispiel Wasser. Ein großer Teil davon ist durch Asteroiden und Kometen die nach der Entstehung der Erde bei uns eingeschlagen sind, geliefert worden. Aber wenn es dieses Zeug auch viel näher an der Sonne gegeben hat, als wir bisher gedacht haben, dann ist vielleicht auch mehr davon direkt bei der Entstehung der Erde in den Planeten quasi eingebaut worden, als wir vermutet haben. Die dunklen Kometen sind immer noch nicht restlos verstanden. Aber wenn wir irgendwann Licht in ihre Dunkelheit gebracht haben, verstehen wir vielleicht auch unsere eigene Erde ein wenig besser.