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.

"Am Anfang war das Wort". So beginnt die Schöpfung der Welt im Johannes-Evangelium der christlichen Bibel. Als wissenschaftliche Quelle ist die natürlich nicht zu gebrauchen. Und in diesem Fall gilt das ganz besonders, denn vielleicht war am Anfang nicht das Wort, sondern Schweigen. In der heutigen Folge der Sternengeschichten geht es um ein Konzept aus der theoretischen Kosmologie, das mit dem schönen Begriff "Asymptotisches Schweigen" bezeichnet wird. Und wie so gut wie alles aus der theoretischen Kosmologie ist das, worum es geht, eigentlich kaum in normaler Sprache zu beschreiben sondern nur mit sehr viel sehr komplizierter Mathematik. Aber ich werde mich bemühen, dass wir am Ende dieser Folge zumindest einen brauchbaren Eindruck davon haben, worum es geht.

Dazu müssen wir zuerst zwei andere Konzepte betrachten: Singularitäten und Lichtkegel. Fangen wir mit den Singularitäten an. Ich habe darüber schon in einigen anderen Folgen der Sternengeschichten gesprochen. Eine Singularität ist in der Astronomie ein Ort, an dem die Gravitation so außerordentlich stark ist, dass die Krümmung der Raumzeit divergiert. Oder, etwas vereinfacht: Ein Ort, an dem die Krümmung der Raumzeit unendlich groß ist. Singularitäten sind Orte, an denen die normale Beschreibung der Raumzeit nicht mehr funktioniert; sie sind demnach auch gar keine Orte IN der Raumzeit mehr. Eine Singularität ist zum Beispiel das, was sich hinter dem Ereignishorizont eines schwarzen Lochs verbirgt. Beziehungsweise: Die Theorien mit denen wir schwarze Löcher zur Zeit beschreiben, führen am Ende zu einer Singularität. Wenn - wie bei der Entstehung eines schwarzen Lochs - Masse unter ihrer eigenen Gravitationskraft immer weiter in sich zusammenfällt, wird auch ihre Dichte immer größer. Dadurch wird die Raumkrümmung in der Umgebung der Masse immer größer und wenn nichts diesen Prozess aufhält, landen wir am Ende bei einem Punkt mit unendlicher Raumkrümmung; einer Singularität. Wir gehen heute davon aus, dass irgendetwas passiert, bevor es so weit ist und dass Singularitäten in echt nicht existieren können. Aber mit letzter Sicherheit wissen wir es nicht. Eine andere Art der Singularität ist der Urknall: Auch das ist, in der derzeitigen wissenschaftlichen Beschreibung, ein Zeitpunkt, an dem die gesamte Energie beziehungsweise Masse des Universums in einem Punkt konzentriert war und die Raumkrümmung unendlich groß gewesen sein muss.

Singularitäten selbst können wir mit den derzeitigen Theorien der Wissenschaft nicht beschreiben. Das ist kein Fehler; das liegt in der Natur der Sache, denn Singularitäten sind ja gerade die Momente/Zeitpunkte, in denen physikalische Größen wie eben die Raumkrümmung oder die Energiedichte oder die Temperatur unendlich groß werden - oder, wenn es um die Ausdehnung der Objekte geht, unendlich klein. Unendliche Größen sind aber unphysikalisch, so etwas kann nicht existieren. Singularitäten sagen uns also vor allem, dass wir das, was da passiert, nicht vernünftig beschreiben können. Wir können mit unseren Theorien aber durchaus beschreiben, was passiert, wenn man sich einer Singularität nähert. Wir können beschreiben, was kurz davor passiert beziehungsweise wie beim Urknall, kurz danach. Und auch das Asymptotische Schweigen ist etwas, was mit den Bedingungen unmittelbar vor einer Singularität zu tun hat.

Zuerst müssen wir uns aber noch die Sache mit den Lichtkegeln anschauen. Das ist ein Konzept aus der Relativitätstheorie. Die sagt uns ja, dass sich nichts schneller als das Licht durch das Universum bewegen kann. Wenn wir Informationen von einem Ort des Kosmos zu einem anderen schicken wollen, dann geht das nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit ist aber nicht einfach nur ein Geschwindigkeitslimit, sondern auch quasi eine Obergrenze für Kausalität. Das kann man sich in etwa so vorstellen:

Wenn ich hier auf der Erde genau JETZT ein Signal hinaus ins Weltall schicke, dann dauert es circa 1,3 Sekunden, bis es beim Mond angekommen ist. Schneller geht es nicht. Und das bedeutet: Was auch immer auf der Erde passiert, für den Mond ist es frühestens 1,3 Sekunden später relevant. Wenn die Erde spontan verschwinden würde, würde der Mond den Verlust ihrer Anziehungskraft erst nach 1,3 Sekunden spüren. Und so weiter - in diesem Fall merkt man das kaum. Aber wenn nicht die Erde, sondern die Sonne plötzlich verschwinden würde, würden wir das erst nach 8 Minuten merken. 8 Minuten lang würde sich die Erde weiter auf ihrer Umlaufbahn bewegen, so als ob nichts wäre. Weil aus Sicht der Erde ja auch nichts passiert ist! Kausalität, also der Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung, kann sich nur mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Die Wirkung - die Erde verlässt ihre Umlaufbahn - kommt in diesem Fall erst 8 Minuten nach der Ursache - dem Verschwinden der Sonne - weil man die Distanz zwischen Sonne und Erde höchstens mit Lichtgeschwindigkeit zurücklegen kann und das 8 Minuten dauert. Würde man die Sonne von unserem Nachbarstern Alpha Centauri aus beobachten, der knapp 4 Lichtjahre entfernt ist, dann würde man dort das Verschwinden erst 4 Jahre später bemerken, als man es auf der Erde bemerkt hat. Obwohl es auch nicht unbedingt korrekt ist, in diesem Fall von "später" zu reden, denn es ist ja schon der frühestmögliche Zeitpunkt an dem man es merken kann, zumindest von Alpha Centauri aus gesehen. Es kommt eben immer auf den Standpunkt an - genau darum geht es ja in der Relativitätstheorie und Einstein hat sich viele Gedanken darüber gemacht, was "Gleichzeitigkeit" eigentlich wirklich bedeuten soll und warum es so etwas auf einem universalen Maßstab nicht geben kann.

Aber das soll uns jetzt vorerst nicht interessieren. Wichtig ist: Die Lichtgeschwindigkeit legt fest, welche Bereiche des Universums kausal miteinander verknüpft sind. Beziehungsweise welche Bereiche des Universums einander beeinflussen können. Wir wissen ja, dass das Universum expandiert. Je weiter zwei Orte voneinander entfernt sind, desto schneller dehnt sich der Raum zwischen ihnen aus. Stellen wir uns jetzt zwei Orte im Universum vor, die so enorm weit voneinander entfernt sind, dass sich der Raum zwischen ihnen mit mehr als der Lichtgeschwindigkeit ausdehnt. Das ist übrigens erlaubt, denn erstens darf sich nur nichts schneller als das Licht DURCH den Raum bewegen; mit der Expansion des Raums selbst hat das nichts zu tun. Und zweitens ist auch das wieder ein Punkt, wo es auf den Blickwinkel ankommt. Der Raum dehnt sich nicht wirklich mit Überlichtgeschwindigkeit aus, es kommt immer darauf an, wie man es betrachtet. Ich habe das ausführlich in Folge 249 der Sternengeschichten erzählt und wer möchte, kann das dort nochmal nachhören.

Also: Wir haben zwei Orte und der Raum dazwischen dehnt sich schneller als das Licht aus. Das bedeutet dann aber auch: Die beiden können einander niemals irgendwie beeinflussen. Licht von einem Ort kann niemals den anderen erreichen. Es gibt keinerlei kausalen Zusammenhang zwischen den beiden Orten; sie befinden sich quasi in unterschiedlichen Universen. Oder anders gesagt: Die Lichtkegel der beiden Orten überschneiden sich nicht, denn mit Lichtkegel meint man genau den Bereich, der von einem bestimmten Ort aus zumindest theoretisch irgendwie kausal beeinflusst werden kann.

So. Jetzt haben wir zwei grundlegende Konzepte für das Verständnis des Asymptotischen Schweigens. Jetzt fehlen noch Jewgeni Michailowitsch Lifschitz, Isaak Markowitsch Chalatnikow und Wladimir Alexejewitsch Belinski. Diese drei sowjetischen Physiker haben die Sache mit dem Asymptotischen Schweigen in den 1970er und frühen 1980er Jahren entdeckt. Wie ich schon zu Beginn gesagt habe: Die Mathematik die dahinter steht, ist enorm komplex. Aber im Prinzip geht es um folgendes: Die drei haben sich angeschaut, was ganz in der Nähe einer Singularität mit der kausalen Beziehung zwischen benachbarten Orten passiert. Man könnte ja eigentlich denken, dass das nicht schwer zu untersuchen ist. Wenn da, wie bei einem schwarzen Loch oder dem Urknall, die gesamte Materie immer weiter komprimiert wird, dann rückt alles immer weiter zusammen. Und dann muss es ja eigentlich viel leichter sein, dass alles da miteinander wechselwirkt und sich beeinflusst. Aber, und das war das überraschende Ergebnis, so ist es nicht. Das, was bei, beziehungsweise in der unmittelbaren Umgebung einer Singularität passiert, ist viel komplizierter. Die Raumzeit wird nicht einfach nur immer stärker und stärker gekrümmt. Das passiert zwar, aber nicht in alle Raumrichtungen gleich schnell gleich stark. Unterschiedliche Raumregionen verändern sich unterschiedlich schnell. Das klingt jetzt erstmal nicht sonderlich aufregend. Aber vielleicht hilft ein Vergleich: Stellt euch vor, ihr würdet mit einer Freundin jeden Tag eine Nachricht austauschen. Darin erzählt ihr einander, was so los ist, gebt euch Ratschläge, was man im Leben so tun und verändern könnte, und so weiter. Aber plötzlich kommt ein böser Zauberer und verhext euch. Ihr altert viel schneller als der Rest der Welt; euer Leben verändert sich in Minuten so stark wie es bei anderen vielleicht nur in ein paar Jahren der Fall ist. Und, das ist wichtig - für euch beide läuft das unterschiedlich schnell ab. Jetzt macht es gar keinen Sinn mehr, wenn ihr euch weiterhin jeden Tag eine Nachricht schickt. Deine Freundin hat sich in der Zeit vielleicht so enorm verändert, dass das, was du schreibst, überhaupt nicht mehr relevant ist. Ihr könnt keinen sinnvollen Einfluss auf das Leben der jeweils anderen Person nehmen.

Ok, das ist vielleicht ein etwas schiefes Beispiel; unter Umständen vielleicht sogar zu schief. Aber Lifschitz, Chalatnikow und Belinski haben herausgefunden, dass genau so etwas ähnliches mit den Punkten der Raumzeit in der Nähe einer Singularität passiert. Die Raumzeit wird nicht einfach nur gekrümmt, sie wird im übertragenen Sinn wild und chaotisch hin und her gedreht und durcheinander gewirbelt. Sie verändert sich unterschiedlich schnell je nachdem um welche Raumrichtung es geht. Und wenn man das alles mathematisch korrekt untersucht kommt am Ende raus: Die kausalen Zusammenhänge zwischen den Punkten verschwinden. Die jeweiligen Lichtkegel werden immer schmaler und überlappen sich nicht mehr. Nicht, weil die Lichtgeschwindigkeit sich ändert. Sondern, und das ist wieder sehr vereinfacht gesagt, weil dem Licht der Raum fehlt, durch den es irgendwie anderswo hingelangen könnte. Die Raumzeit ist so wild, dass jeder einzelne Punkt sich absurd schnell verändert und so schnell, dass keine Information von anderen Punkten rechtzeitig eintreffen und diese Entwicklung irgendwie beeinflussen kann. Es gibt keine räumliche Kopplung mehr, oder anders gesagt: Der Raum fällt quasi auseinander. Die Punkte des Raums sind nicht mehr kausal miteinander verbunden. Alles wird extrem lokal. Nichts was an einem bestimmten Ort passiert hat irgendeinen Einfluss auf das, was an einem anderen Ort passiert. Oder noch einmal anders gesagt: Es gibt keine Kommunikation mehr. Und das Phänomen wird um so stärker, je näher wir der Singularität kommen. Das ist das "Asymptotische Schweigen" - am Ende kann überhaupt keine Kommunikation mehr stattfinden, es gibt nur noch Schweigen.

Es ist ein bisschen schwer zu sagen, was daraus nun genau folgt. Einerseits ist das alles, wie gesagt, eine rein mathematische Sache. Wir haben nichts davon in echt beobachtet. Das Asymptotische Schweigen folgt, wenn man die Gleichungen der Relativitätstheorie auf eine bestimmte Art löst. Wir wissen aber, dass diese Gleichungen noch nicht das letzte Wort sein können. Am Ende brauchen wir eine Theorie, die in der Lage ist, nicht nur mit enormer Raumkrümmung umzugehen, sondern auch die quantenmechanischen Phänomene der Mikrowelt berücksichtigt. Wir brauchen eine Quantentheorie der Gravitation und dann können wir schauen, was da wirklich bei den angeblichen Singularitäten los ist. So eine Theorie haben wir noch nicht, aber es gibt Ansätze, die zeigen, dass das Asymptotische Schweigen vielleicht wirklich Teil so einer Quantengravitation sein könnte. Was das für unser Verständnis der schwarzen Löcher heißt oder für den Urknall oder ein mögliches Ende des Universums, wenn es in fernster Zukunft wieder mal in sich zusammenfallen und zu einer Singularität werden könnte: Das müssen wir dann erst noch rauskriegen. Aber vielleicht war das Schweigen nicht nur am Anfang. Vielleicht endet auch alles wieder in Schweigen.

In dieser Folge der Sternengeschichten geht es nicht um etwas, sondern um etwas, wo nichts ist. Es geht um eine Lücke und zwar um die "Planetenlücke" oder die "Fulton-Lücke". Damit ist allerdings keine Lücke IN einem Planeten gemeint. Auch nicht eine Lücke zwischen Planeten. Die gibt es natürlich immer; zwischen den Planeten eines Planetensystems ist immer jede Menge leerer Weltraum; das ist normal und wäre kein Thema für eine eigene Podcastfolge. Die Lücke, um die es geht, ist eine, die sich nicht im echten Raum befindet, sondern eine, die mit den Eigenschaften der Planeten zu tun hat. Und um das zu verstehen, müssen wir uns deshalb zuerst einmal ansehen, was für Planeten es im Universum gibt.

Fangen wir im Sonnensystem an. Die acht Planeten die wir haben, kennen wir alle: Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Merkur ist der kleinste davon und Jupiter der größte. Und wenn ich jetzt und im folgenden "der kleinste" und "der größte" sage, dann beziehe ich mich auch tatsächlich auf die Größe, also den Radius des Planeten. Oft bin ich - und nicht nur ich alleine - da ja ein wenig ungenau und meine einen Planeten mit einer großen Masse, wenn ich von einem "großen" Planeten spreche. Im Fall von Merkur und Jupiter wäre das egal; der Merkur ist auch der Planet mit der kleinsten Masse im Sonnensystem und Jupiter der mit der größten und ganz allgemein haben größere Planeten meistens auch eine größere Masse. Aber der Unterschied zwischen Größe und Masse wird später noch relevant.

Ordnen wir jetzt also mal die Planeten des Sonnensystems ihrer Größe nach. Merkur hat 0,38 Erdradien, dann kommt Mars mit 0,53 Erdradien. Dann die Venus, die mit 0,94 Erdradien fast so groß wie die Erde selbst ist. Größer als die Erde ist Neptun, mit 3,8 Erdradien, dann kommt Uranus mit 4 Erdradien und dann die beiden Riesen im Sonnensystem; Saturn und Jupiter mit 9,5 beziehungsweise 11,2 Erdradien. Auf den ersten Blick ist daran nichts besonders auffällig. Wir haben kleine Planeten und große Planeten und welche dazwischen. Bei genauerer Betrachtung sieht man aber ein paar Besonderheiten. Auf der einen Seite haben wir Planeten wie Mars, Venus und Erde, die alle zwischen einem halben und einem ganzen Erdradius groß sind. Und auf der anderen Seite die "Eisriesen" Uranus und Neptun mit circa dem 4fachen Erdradius. Und warum wir diese Himmelskörper "Eisriesen" nennen und sie von den noch größeren Gasriesen wie Jupiter und Saturn trennen, ist wieder eine ganz andere Geschichte die auf eine andere Folge warten muss. So oder so sehen wir eine Lücke, nämlich zwischen der Erde und Neptun. Es gibt im Sonnensystem keine Planeten die doppelt oder dreifach so groß sind wie die Erde. Das muss aber erstmal nichts bedeuten, denn es gibt ja auch jede Menge Planeten außerhalb des Sonnensystems. Wir kennen tausende davon und wir wissen, dass da auch jede Menge Himmelskörper dabei sind, die wir in dieser Form bei uns nicht finden. Zum Beispiel die "Supererden", über die ich in Folge 34 der Sternengeschichten schon einmal ausführlich gesprochen habe. Das sind Planeten, die mehr Masse (Achtung, jetzt geht es wieder um die Masse) als die Erde haben, aber weniger als Neptun. Diese Supererden sind dann aber auch tendenziell ein wenig größer als die Erde, bis zum eineinhalbfachen Radius. Obwohl sie größer und massereicher als die Erde sind, haben sie immer noch eine feste Oberfläche und einen Mantel aus Gestein, so wie die Erde. Von denen haben wir da draußen im All schon einige entdeckt, genau so wie "Sub-Neptune" oder "Mini-Neptune". Das sind Planeten, deren Radius kleiner ist als der des Neptun. Diese Planeten haben vermutlich einen felsigen Kern, der von einer ausgedehnten Gashülle aus Wasserstoff und Helium umgeben ist, so wie es auch bei Neptun der Fall ist.

Es gibt also da draußen Planeten, die größer als die Erde und kleiner als Neptun sind. Aber, und das ist der Punkt um den es in dieser Folge geht: Planeten können anscheinend nicht einfach irgendwelche Größen haben. Nimmt man alle Planeten zusammen, die wir kennen und schaut sich ihre Größe an, dann findet man darunter viele kleine Planeten, wie die Erde und auch Supererden, die ein bisschen größer sind. Und man findet jede Menge größere Planeten wie Neptun und einen ganzen Haufen Mini-Neptune, die ein wenig kleiner sind. Tatsächlich sind die Mini-Neptune der häufigsten Planetentyp in der Milchstraße, aber auch das ist wieder eine andere Geschichte. Wir finden aber keine oder nur sehr wenige Planeten mit einem Radius der zwischen dem eineinhalbfachen und dem doppelten Erdradius liegt. Das ist die Lücke, um die es geht und es ist tatsächlich eine Lücke. Wir haben mittlerweile genug Planeten anderer Sterne untersucht. Wenn diese fehlenden Planeten genau so häufig wären wie die anderen, dann hätten wir sie gefunden. Es ist auch kein Problem der Präzision. Natürlich ist es nicht einfach, die Größe eines Planeten zu bestimmen, der einen anderen Stern umkreist. Dazu müssen wir unter anderem wissen, wie groß der Stern selbst ist. Aber auch da haben wir in den letzten Jahrzehnten immer genauere Daten gewonnen und die Lücke ist immer noch da. Aus irgendeinem Grund scheint das Universum etwas gegen Planeten zu haben, die eineinhalb bis zweimal so groß wie die Erde sind.

Das erste Mal im Detail erforscht und dargestellt wurde die Lücke in der Verteilung der Planetengrößen im Jahr 2017 in einer wissenschaftlichen Arbeit unter der Leitung des amerikanischen Astronomen Benjamin Fulton, weswegen man die Planetenlücke oft auch als "Fulton-Gap", also "Fulton-Lücke" bezeichnet. Und natürlich hat man sich seitdem jede Menge Gedanken darüber gemacht, was die Ursache dafür sein könnte. Es wäre eigentlich überraschend, wenn Planeten der fehlenden Größe nicht entstehen könnten. Nichts was wir über die Entstehung von Planeten wissen sagt uns, dass sich gerade Himmelskörper mit dem 1,5 bis 2fachen Erdradius nicht bilden können. Es ist viel wahrscheinlicher, dass sie genau so entstehen wie die Planeten mit anderen Größen. Aber danach passiert irgendwas, was die größeren von ihnen schrumpfen lässt. Denn dass die kleineren zu wachsen beginnen ist eher unmöglich; es gibt kaum sinnvolle physikalische Prozesse, die dazu führen, dass ein Planet größer wird, zumindest nicht die Art von Planeten, die uns hier interessieren. Ein Gasplanet kann sich zum Beispiel ausdehnen, wenn er erwärmt wird. Aber ein Gesteinsplanet wie eine Supererde kann nicht plötzlich auf die doppelte Größe anwachsen. Wir suchen also nach Prozessen, die Planeten in der Lücke, also Planeten mit dem 1,5 bis 2fachen Erdradius schrumpfen lassen. Es muss ein Prozess sein, der die größeren Himmelskörper, also die Mini-Neptune nicht betrifft, denn die bleiben ja übrig. Aber alles, was kleiner ist als ein Mini-Neptun muss durch diesen Prozess auf die Größe einer Supererde geschrumpft werden.

Wenn wir verstehen wollen, was hier passiert, müssen wir uns kurz noch einmal den Zusammenhang zwischen Planeten, Planetenentstehung und Atmosphären anschauen. Nur kurz, aber das ist nötig, wenn wir die Planetenlücke verstehen wollen. In der ursprünglichen Wolke aus Gas und Staub, aus der Planeten um einen jungen Stern entstehen, befindet sich jede Menge Wasserstoff und Helium. Planeten, deren Kern während der ersten Entstehungsphase groß genug geworden ist, haben auch eine große Masse und können mit ihrer deswegen starken Anziehungskraft auch große Menge an Wasserstoff und Helium festhalten. Sie legen sich gewaltige Atmosphären zu, so wie Jupiter oder Saturn. Kleine Himmelskörper, wie zum Beispiel die Erde, können die leicht flüchtigen Gase wie Wasserstoff und Helium nicht festhalten und haben am Ende nur sehr dünne Atmosphärenschichten. Dazwischen sind Planeten wie Uranus und Neptun, die Wasserstoff und Helium festhalten können, aber nicht so viel wie Jupiter oder Saturn. Die Mini-Neptune haben noch weniger davon und die Planeten, die in unsere Lücke fallen würden, noch ein bisschen weniger. Es kommt aber nicht nur auf die Masse an, ob ein Planet seine Atmosphäre halten kann, sondern auch darauf, was sein Stern macht. Junge Sterne geben im Allgemeinen sehr viel mehr energiereiche Ultraviolettstrahlung ab als ein alter Stern wie unsere Sonne. Diese energiereiche Strahlung regt die Gasmoleküle einer Atmosphäre an und sie können sich dadurch leichter aus der Anziehungskraft ihres Planeten lösen. Der junge Stern ist quasi wie ein Sandstrahler, der die Atmosphären von Planeten abträgt. Es gibt aber noch einen zweiten Weg, wie Energie in eine Atmosphäre gelangen kann, nämlich durch den Planeten selbst. Junge Planeten sind noch sehr warm, sie haben viel thermische Energie gespeichert und geben die auch ab und zwar ebenfalls in ihre Atmosphäre. Auch dadurch können die Gasmoleküle angeregt werden und entkommen.

Wenn sich die Wasserstoff/Helium-Atmosphäre so ins All verflüchtigt, wird der Planet natürlich kleiner. Diese Wasserstoff/Helium-Atmosphären können sehr ausgedehnt sein; nicht die dünne Luftschicht, die wir von der Erde kennen. Selbst wenn nur ein bisschen dieser Atmosphäre verloren geht, schrumpft der Planet deutlich. Er verliert aber auch Masse und hat es dadurch NOCH schwerer, den Rest seiner Atmosphäre zu halten. Es ist ein Teufelskreis und am Ende hat der Planet seine ganze Wasserstoff/Helium-Hülle verloren und übrig bleibt der nackte Kern aus Gestein und Metall, also das, was wir als "Supererde" klassifizieren (auf denen sich im Laufe der Zeit wieder eine andere Atmosphäre entwickeln kann, die nicht aus Wasserstoff und Helium besteht und nicht so leicht flüchtig ist). Die größeren Planeten, also die Mini-Neptune und Eisriesen wie Neptun und Uranus sind von diesem Prozess nicht oder nur wenig betroffen. Sie haben von Anfang an genug Masse, um den Großteil ihrer Wasserstoff- und Heliumatmosphäre trotz Sternstrahlung und eigener innerer Wärme festzuhalten. Ihre atmosphärischen Hüllen überleben und so kriegen wir auf einer Seite der Lücke eben genau diese Sub-Neptune und Eisriesen und auf der anderen Seite die Supererden und Gesteinsplaneten wie die Erde. Dazwischen bleibt kaum etwas übrig und genau deswegen gibt es diese Lücke.

Ein junger Planet muss mit einer gewissen Grundmasse an Atmosphäre starten (und braucht dazu auch einen ausreichend massereichen Kern um sie festhalten zu können). Dann schafft er es auch, diese Atmosphäre zu behalten. Ist die Grundmasse an Atmosphäre aber zu gering, dann sorgen die gerade beschriebenen Prozesse dafür, dass er sie im Laufe der Zeit komplett verliert. Viele der Supererden, die wir heute überall in der Milchstraße beobachten, haben als Mini-Neptune begonnen, aber es nicht geschafft, diesen Zustand aufrecht zu erhalten.

Wir wissen noch nicht genau, welcher der beiden Prozesse - Sternstrahlung oder "Photoevaporation", wie es korrekt heißt oder die eigene innere Wärme der Planeten - wirklich für die Planetenlücke verantwortlich ist. Vermutlich spielen beide eine Rolle. Es ist auch noch nicht sicher, ob die Sub-Neptune, die ihre Atmosphäre verlieren, am Ende wirklich zu Supererden werden, also großen Gesteinsplaneten mit fester Oberfläche oder ob sich da doch etwas anderes draus entwickelt, dass nur so groß wie eine Supererde, aber ganz anders aufgebaut ist. Wir müssen noch mehr Planeten noch genauer beobachten und noch mehr Daten sammeln. Es wird noch ein wenig dauern, bis wir wirklich verstanden haben, was in der Planetenlücke passiert ist. Aber allein aus der Tatsache ihrer Existenz wissen wir schon, dass sehr viele Planeten eine sehr dramatische Jugend gehabt haben müssen.

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