STERNENGESCHICHTEN LIVE TOUR in D und Ö: Tickets unter https://sternengeschichten.live

In der Oktober-Ausgabe von Sternengeschichten Spezial wird es zwar nicht Halloween-gruselig, aber ich habe zumindest eine Geschichten von einem toten Stern, der grün leuchtet, was Sterne eigentlich gar nicht tun sollten. Mehr Infos dazu gibt es hier und hier.

Danach nehm ich euch mit backstage auf meine LIVE-Tour und erzähle, warum es oft gar nicht so einfach ist, euren Einladungen und Tipps zu folgen.

Die Frage, die ich in dieser Folge beantworte, kommt von Claudia und ihrer Tochter und sie hat mit verschwundenen Planeten zu tun. Die Arbeit über Mars die ich dabei erwähne, ist diese hier.

Wer auf der Suche nach Tickets für die LIVE-Tour ist, findet sie hier oder kann auch in der "Das Universum" Telegram-Gruppe fragen.

Live-Veranstaltungen zu meinen Büchern gibt es hier: Am 25. November in Mannheim, am 27. November in Heidelberg, am 29. November in Wien und am 5. Dezember in Linz.

Mein neues Buch heißt "Die Astronomie der Rauhnächte" und man kriegt es überall wo es Bücher gibt; ebenso wie das zugehörige Hörbuch.

Mein zweites 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". Und es gibt noch "Die Welt der Mikroben".

Die nächste Live-Podcastaufzeichnung von “Das Universum” im Radiokulturhaus wird am 16. Dezember stattfinden. Tickets gibt es hier.
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Vor 4,5 Milliarden Jahren ist die Sonne entstanden und kurz danach die Planeten, die sie umkreisen. Und wenn die Sonne ihr Leben als normaler Stern in circa 5 bis 6 Milliarden Jahren beenden wird, werden dabei auch ein paar dieser Planeten zerstört werden. Das ist das normale Schicksal von Planeten; nicht nur bei uns sondern auch bei anderen Sternen. Dort könnte das Ende des Sterns aber auch der Anfang einer neuen Generation von Planeten sein. Und genau um solche "Planeten der zweiten Generation" geht es in dieser Folge.

Schauen wir dafür noch einmal kurz, was mit der Sonne in ferner Zukunft passieren wird. Ich habe die verschiedenen Stadien eines Sternenlebens und des Sternentods in den vergangenen Folgen der Sternengeschichten ausführlich gesprochen. Aber kurz gesagt: Die Sonne wird sich zuerst immer weiter aufblähen; sie wird zu einem roten Riesenstern werden, der auf jeden Fall Merkur und Venus verschluckt und zerstört und vielleicht auch die Erde. Die rote Riesensonne wird ihre äußeren Atmosphärenschichten abstoßen, so dass nur noch der innere Kern übrig bleibt, in dem dann aber keine Kernfusion mehr stattfindet. Dieser Himmelskörper wird ungefähr so groß wie die Erde sein, aber sehr, sehr viel massereicher. Man nennt sowas einen "Weißen Zwerg" und auch wenn dort keine Kernfusion mehr stattfindet, wird dieser Sternenrest immer noch so heiß sein, dass es Milliarden bis Billionen Jahre dauert, bis er abkühlt und dunkel wird.

Soweit ist das alles noch nicht neu. Die zerstörten Planeten des Sonnensystems sind zerstört und die äußeren Planeten können nun den immer weiter abkühlenden weißen Zwerg umkreisen. Es gibt aber auch Planetensysteme, wo es anders läuft und eines davon hat man vielleicht im Sternbild Wal entdeckt. Dort, in circa 270 Lichtjahren Entfernung, hat man schon im Jahr 1999 mit dem Hubble-Weltraumteleskop einen weißen Zwerg beobachtet. Das Objekt mit der Bezeichnung HS 0209+0832 hat einen Durchmesser von circa 10.000 Kilometer, dabei immer noch 60 Prozent der Masse unserer Sonne und seine Temperatur sagt uns, dass er vor circa 5 Millionen Jahren entstanden sein muss. Das, was unsere Sonne noch vor sich hat, ist dort also schon längst passiert. Ein Stern, ähnlich der Sonne, ist zu einem roten Riesen geworden und dann zu einem weißen Zwerg. Und auch das ist nicht neu; wir haben schon jede Menge weiße Zwerge gefunden. Außergewöhnlich war in diesem Fall aber die chemische Zusammensetzung. Eine genau Analyse der Daten hat gezeigt, dass sich in der äußeren Atmosphäre des weißen Zwergs nicht nur Wasserstoff und Helium befinden, wie man erwarten würde, sondern relevante Mengen an schwereren Elementen. Das war überraschend. Natürlich kann so ein Stern im Laufe seines Lebens und vor allem während der Endphase seines Lebens jede Menge schwere Elemente erzeugen. Aber was auch immer davon nach dem Übergang zum Weißen Zwerg noch übrig sein sollte, hätte eigentlich im Laufe der Zeit aus den äußeren Schichten nach unten sinken müssen. Dort können wir es dann nicht mehr nachweisen; wir erhalten ja nur Licht aus den äußeren Schichten und nur dieses Licht können wir entsprechend analysieren, um die chemische Zusammensetzung zu bestimmen. Wenn da jetzt immer noch schwere Elemente sind, dann müssen die irgendwie später auf den Weißen Zwerg gefallen sein.

Es gibt durchaus Möglichkeiten, wie das passieren kann. Vielleicht gab es auch dort früher Planeten. Vielleicht sind sie auch zerstört worden und die Überreste dieser Planeten fallen heute immer noch ab und zu auf den weißen Zwerg. Oder aber es gibt dort Asteroiden und Kometen, die den Tod des Sterns überlebt haben, jetzt aber ab und zu mit dem weißen Zwerg kollidieren, so wie es ja auch Asteroiden und Kometen heute bei uns mit der Sonne tun. Wenn das so wäre, dann müsste man in der Atmosphäre des weißen Zwergs aber auch und vor allem Eisen und Silicium finden, die wichtigsten Bestandteile von Planeten oder Asteroiden. Diese Elemente hat man aber bei dem weißen Zwerg im Sternbild Wal nicht gesehen. Stattdessen jede Menge Kupfer, Zink und vor allem Niob. Und gerade das Niob ist interessant. Im Alltag bekommt man es mit diesem Element eher selten zu tun. Es wird bei der Herstellung von Schmuck verwendet, oder bei bestimmten Stahllegierungen und anderswo in der Industrie. In einem weißen Zwerg hatte man es aber vor den Beobachtungen bei HS 0209+0832 noch nie gefunden. Und nicht nur ein bisschen: Auf der Erde ist Niob vergleichsweise selten; dort ist die Häufigkeit fast 1000 mal größer.

Niob ist ein Element, das vor allem dann entsteht, wenn ein Stern sein Leben nicht schnell und explosiv bei einer Supernova beendet, sondern sich langsam aufbläht und zu einem roten Riesen beziehungsweise danach zu einem AGB-Stern wird. Oder anders gesagt: Niob entsteht, wenn ein Stern wie unsere Sonne sein Leben beendet und zu einem weißen Zwerg wird. Die nuklearen Reaktionen, die in der Spätphase eines Sternenlebens stattfinden, können Niob hervorbringen und der sterbende Stern schleudert die so entstandenen Atome dann mit dem ganzen anderen Material aus seinen äußeren Schichten ins Weltall. Und normalerweise wäre das das Ende der Geschichte. Aber nicht in diesem Fall: Denn - so lautet die Hypothese - irgendwie hat sich das ganze Material, dass der sterbende Stern ausgestoßen hat, zu einem Planeten geformt. Einem Planeten, der dadurch sehr viel mehr schwere Elemente wie Niob enthält, als Planeten normalerweise enthalten würde. Dieser Planet umkreist den Weißen Zwerg nun in geringem Abstand; so nahe, dass immer wieder Material vom Planeten auf den weißen Zwerg fällt, wo wir es dann in den seiner Atmosphäre nachweisen können.

Bei HS 0209+0832 hat sich also ein Planet der zweiten Generation gebildet; ein Planet, der erst nach dem Tod des Sterns entstanden ist. Oder besser gesagt: Vielleicht ist das dort passiert. Denn so einfach läuft es in der Praxis auch nicht. Ich habe vorhin gesagt: "irgendwie hat sich das ganze Material, dass der sterbende Stern ausgestoßen hat, zu einem Planeten geformt". Aber wie soll das "irgendwie" funktioniert haben? Normalerweise schleudert ein Stern sein Material symmetrisch in alle Richtungen. Und dann kann sich daraus auch kein Planet bilden. Damit das passiert, muss das Material irgendwie eine Art Scheibe um den weißen Zwerg gebildet haben und in dieser Scheibe konnte sich dann ein Planet bilden; genauso wie sich Planeten der ersten Generation in einer Scheibe aus Gas und Staub um einen jungen Stern bilden.

Eine Scheibe bildet sich aber nicht von selbst. Aber vielleicht hat HS 0209+0832 einen Begleitstern gehabt. Er war so nahe, dass er verschluckt wurde, als sich HS 0209+0832 zu einem roten Riesen aufgebläht hat. Mit seiner Gravitationskraft hat der Begleiter dann einerseits dafür gesorgt, dass der sterbende Stern seine äußeren Schichten abgestoßen hat und andererseits für die Bildung einer Scheibe aus diesem Material. Und in dieser Scheibe ist dann ein Gasplanet entstanden, in etwa so groß wie Jupiter. Ein Planet, voll mit schweren Elementen, die man dort normalerweise nicht finden würde. Der Planet ist dem weißen Zwerg sehr nahe; so nahe, dass er vom weißen Zwerg aufgeheizt wird. Die Gasschichten des Planeten verflüchtigen sich langsam und fallen auf den weißen Zwerg. Der weiße Zwerg frisst also quasi seinen Planeten, aber zum Glück nicht schnell genug. Je weiter der weiße Zwerg abkühlt, desto langsamer wird der Prozess und vermutlich wird der Planet das alles überleben.

Ob das wirklich so gelaufen ist, wissen wir nicht. Aber es ist zumindest eine plausible Hypothese, die erklären würde, was bei HS 0209+0832 vor sich geht. Man hat auch probiert, im Licht des weißen Zwergs direktere Spuren des Planeten zu finden. Wenn er den weißen Zwerg genau in der richtigen Ebene umkreist, müsste er dessen Licht in regelmäßigen Abständen verdunkeln. Es gibt Anzeichen, dass genau das passiert, aber nicht genug, um wirklich sicher sein zu können.

Sicher ist nur: Irgendwo dort draußen werden Planeten der zweiten Generation entstehen. Nicht oft, denn es muss viel zusammenpassen und auf die richtige Weise passieren, damit alles klappt. Aber das Universum ist groß. Wir haben auch anderswo Kandidaten für Planeten der zweiten Generation gefunden und früher oder später wird man auch eindeutig nachweisen können, ob ein Planet mit seinem Stern entstanden ist oder erst viel später. Bis dahin ist es auf jeden Fall ein tröstlicher Gedanke, dass der Tod eines Sterns gleichzeitig der Anfang des Lebens neuer Planeten sein kann.

Diese Geschichte beginnt am 12. August 1978 und sie hat ihren Höhepunkt sieben Jahre später, mit einer einmaligen Begegnung im Weltall, die eigentlich gar nicht stattfinden hätte sollen. Und genaugenommen geht alles noch viel früher los. Bevor es aber zu verwirrend wird, fangen wir einfach mal an.

In den 1970er Jahren haben die amerikanische Raumfahrtagentur NASA und ihr europäisches Gegenstück, die ESA, beschlossen, ein paar gemeinsame Missionen zur Erforschung der Sonne und ihrer Wechselwirkung mit der Erde zu starten. Man wollte besser verstehen, wie das Magnetfeld der Sonne funktioniert, welchen Einfluss es auf das Magnetfeld der Erde hat, wie der Sonnenwind die Planeten beeinflusst, und so weiter. Das Programm hatte den Namen ISEE - International Sun Earth Explorer - und der erste ISEE-Satellit ist im Jahr 1977 ins All geflogen, genau so wie ISEE-2. Im Jahr darauf folgte ISEE-3 und diesen Satellit schauen wir uns jetzt ein wenig genauer an.

ISEE-3 sollte das Magnetfeld der Erde und seine Wechselwirkung mit dem Sonnenwind erforschen. Dafür wurde der Satellit in eine Umlaufbahn um den Lagrangepunkt L1 gebracht. Das ist ein Punkt, der auf der Verbindungslinie zwischen Sonne und Erde liegt, circa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Ich habe in Folge 477 schon genauer über diese Arten der Umlaufbahnen gesprochen, die heute in der Raumfahrt sehr beliebt und wichtig sind. Aber als ISEE-3 dort im November 1978 angekommen ist, war der Satellit der erste, der sich dort aufgehalten hat. Wir lassen Umlaufbahnen und Sonnenforschung aber jetzt beiseite, denn das ist nicht die Geschichte, um die es heute geht. ISEE-3 hat seine Mission einigermaßen erfolgreich abgeschlossen und es gab vorerst keine weiteren Pläne, etwas mit dem Satelliten anzustellen.

Das blieb auch so, bis im Jahr 1981 wieder einmal und leider bei der NASA das Budget gekürzt werden musste. Eigentlich war geplant, gemeinsam mit der ESA Satelliten zu bauen, die den Halleyschen Kometen erforschen können. Der würde im Jahr 1986 auf seiner 76jährigen Umlaufbahn um die Sonne endlich wieder an der Erde vorbeikommen. Aber der Beitrag der NASA wurde gestrichen, die Kometensonde wurde abgesagt.

Das war natürlich schade, vor allem für die Wissenschaft. Das hat sich vermutlich auch der amerikanische Physiker Frederick Scarf gedacht. Er hat sich überlegt, ob man vielleicht doch noch irgendwie zum Halleyschen Kometen kommen kann, ohne dafür eine neue Raumsonde bauen zu müssen. Zum Beispiel, in dem man einfach eine alte verwendet. ISEE-3 würde sich gut dafür eignen; sie war noch intakt, hatte passende Messinstrumente an Bord und auch noch genug Ressourcen, um auf eine passende Bahn gesteuert zu werden. Es ist ein wenig unklar, wie genau Scarf es hinbekommen hat, die alte Sonde für die Kometenforschung zu requirieren. Er hat einen Weg gefunden “die Bürokratie zu überwinden”, wie er oft zitiert wird oder aber, wie er selbst einmal gesagt hat: “Wir haben ihn geklaut”. Das war natürlich ein wenig übertrieben, aber auf jeden Fall: Im Juni 1982 hat ISEE-3 die Umgebung des Lagrangepunkts L1 verlassen und sich auf eine komplizierte Bahn gemacht, die unter anderem fünfmal am Mond vorbeigeführt hat, um ausreichend viel Schwung zu sammeln, um schließlich auf einer Bahn zu landen, die sie in die Nähe des Halleyschen Kometen bringen würde.

Jetzt hat ISEE-3 auch einen neuen Namen bekommen: ICE, also International Cometary Explorer. Und bevor die Geschichte von ICE weitergeht, gehen wir noch einmal ein Stück zurück in der Vergangenheit.

Nämlich zum 20. Dezember 1900. An diesem Tag, kurz vor Weihnachten, war der französische Astronom Michel Giacobini bei seiner Arbeit an der Sternwarte von Nizza. Und tat das, was ihm schon einige Male zuvor gelungen war: Er entdeckte einen noch unbekannten Kometen. Es war ein Komet mit einer kurzen Umlaufbahn; im Gegensatz zu den 76 Jahren von Halley brauchte dieser Komet nur knapp 7 Jahre für eine Runde um die Sonne. Trotzdem konnte Giacobini ihn 1907 nicht wieder finden, als er eigentlich das nächste Mal an der Erde vorbeikommen sollte. Man dachte schon, man hätte den Kometen verloren, aber dann entdeckte der deutsche Astronom Ernst Zinner in ihm Oktober 1913. Deswegen trägt er heute die Namen beider Astronomen: Giacobini-Zinner.

Was hat das alles mit der ICE-Sonde zu tun, die ja eigentlich auf dem Weg zu einem anderen Kometen war, nämlich Halley? Sehr viel, denn es hat sich herausgestellt, dass sie auf dem Weg zu Halley auch ganz in der Nähe von Giacobini-Zinner vorbei kommen würde. Das war ein außerordentlicher Glücksfall. Für die Begegnung mit Halley im Frühjahr 1986 war eine ganze Armada an Satelliten auf den Weg geschickt worden. Immerhin wäre es das erste Mal, dass man einen Kometen aus der Nähe sehen würde. Die ESA hatte eine Sonde auf den Weg gebracht, die Sowjetunion hat zwei Sonden gemeinsam mit Frankreich gebaut und auch Japan hat zwei Sonden Richtung Halley geschickt. Dazu kamen noch diverse andere Raumsonden, die - so wie ICE - eigentlich etwas anderes zu tun gehabt hatten, aber trotzdem einen Blick auf den Kometen werfen sollten.

Aber ein paar Monate bevor all diese Satelliten und Raumsonden bei Halley ankommen würde, würde ICE an Giacobini-Zinner vorbei fliegen. Am 11. September 1985 flog sie durch seinen Schweif hindurch und passierte den Kern des Kometen in einem Abstand von nur 7800 Kilometern. Es war der erste Besuch einer Raumsonde bei einem Kometen und das von einem Satelliten, der dafür eigentlich gar nicht vorgesehen war. Deswegen gibt es auch keine Bilder von Giacobini-Zinner, den ICE hatte keine Kamera an Bord. Aber sie konnte mit ihren Messgeräten untersuchen, wie der Sonnenwind und das solare Magnetfeld mit dem Kometenschweif wechselwirkt. Der besteht ja, zum Teil, auch aus geladenen Teilchen, die durch Magnetfelder beeinflusst werden können. Man konnte auch bestätigen, dass der Komet nicht nur aus Wassereis sondern auch komplexeren Molekülen und Staub besteht. Es waren nicht viele Daten, die man sammeln konnte, aber zumindest mehr, als ICE dann bei Halley holen konnte. Dafür war sie am Ende doch zu weit entfernt - sie passierte den Kern von Halley in ungefähr 30 Millionen Kilometer Entfernung und konnte kaum brauchbare Daten sammeln.

Aber jetzt, wo ICE wieder reaktiviert war, lies man sie auch weiter laufen. 1991 gab die NASA die Finanzierung einer neuen Forschungsmission für ICE frei: Nun sollte die Sonne genauer unter die Lupe genommen werden; man wollte die coronalen Massenauswürfe erforschen und Daten für die Vorbereitung kommenden Sonden zur Sonnenforschung sammeln. 1997 wurde ICE dann aber endgültig stillgelegt. Die Sonde war immer noch im Weltraum und im Prinzip immer noch intakt - auch wenn die Datenverbindung immer schlechter lief.

Aber irgendwie hat die Sonde die Menschen nicht los gelassen. 2014 hat man ein weiteres Mal versucht, sie zu reaktivieren. Diesmal war es ein privates Programm, finanziert über Crowdfunding, bei dem man versuchte, wieder Kontakt mit ICE aufzunehmen. Das war gar nicht so einfach, die dafür nötige Hardware auf der Erde; die ganzen passenden Antennen und Transmitter waren bei der NASA längst nicht mehr vorhanden. Aber mit viel Kreativität und Bastelei ist es am Ende tatsächlich gelungen, über das Arecibo-Radioteleskop Kontakt mit ICE aufzunehmen. Man konnte entsprechende Kommandos an den Satelliten schicken um die Steuerdüsen zu aktivieren. Der Plan war, ICE in eine Umlaufbahn zu bringen, die in der Nähe der Erde liegt. Und zuerst schien das auch zu klappen. Aber dann hörten die Düsen auf zu feuern; vermutlich weil die Ressourcen mittlerweile doch ausgegangen waren. Die Bahn konnte also nicht verändert werden, aber immerhin hatte man noch Kontakt und versuchte, mit den noch vorhandenen Messgeräten andere wissenschaftliche Daten zu sammeln. Am 16. September 2014 war dann aber endgültig Schluss. Der Kontakt mit dem Satelliten brach ab und konnte auch nicht wieder hergestellt werden.

36 Jahre nach seinem Start ins All war die Mission von ISEE-3/ICE zu Ende. Der Satellit war der erste in einer Bahn um den Lagrangepunkt L1 und er war vor allem das erste menschengemachte Objekt, das zu einem Kometen geflogen ist und ihn aus der Nähe erforscht hat. Keine schlechte Leistung für einen Satelliten, der eigentlich schon längst nicht mehr aktiv war.

In dieser Folge der Sternengeschichten wird es wieder einmal spekulativ. Aber das muss manchmal sein, immerhin wollen wir in der Wissenschaft ja Dinge herausfinden, die wir noch nicht wissen, und dazu muss man spekulieren. Es geht wieder einmal um eine der großen offenen Fragen der Astronomie: Woraus besteht die dunkle Materie? Die Antwort darauf könnte gleichzeitig auch eine Antwort auf eine der großen offenen Fragen der Physik geben: Was ist mit den Neutrinos los? Und die Antwort um die es in beiden Fällen geht, lautet: sterile Neutrinos.

Das Thema ist naturgemäß komplex, voll mit verwirrender Quantenmechanik und Begriffen wie Chiralität oder Dirac-Masse, aber keine Sorgen, wie gehen das alles der Reihe nach durch. Fangen wir sicherheitshalber noch einmal kurz mit der Dunklen Materie an. So bezeichnet man das seit den 1930er Jahren beobachtete Phänomen, dass sich Galaxienhaufen, Galaxien und Sterne so bewegen, als wäre da im Universum mehr Masse, als wir sehen können. Dieses Phänomen ist real und eine mögliche Lösung lautet: Da ist tatsächlich mehr Masse, als wir sehen. Und es kann nicht einfach nur Masse sein, die halt - im Gegensatz zu Sternen - nicht leuchtet, also zum Beispiel Planeten oder Wolken aus Gas usw. Die hätten wir erstens auf anderem Weg entdeckt und zweitens muss es viel, viel mehr davon geben, als sich sinnvollerweise erklären lässt. Von der Masse, die wir nicht sehen können, ist circa fünfmal mehr da, als wir Sterne und so weiter im Universum haben. Deswegen lautet die Hypothese: Es gibt eine Art von Materie; ein bislang unentdecktes Teilchen, das sich überall im Universum befindet und zwar Gravitationskraft ausübt, und so die Bewegung der Himmelskörper beeinflusst, aber ansonsten unsichtbar ist. Also kein Licht aussendet, kein Licht absorbiert, und so weiter - diese Art von Materie spürt nur die Gravitationskraft, aber nicht die elektromagnetische Kraft, die für alles zuständig ist, was mit Licht zu tun hat. Das klingt ein wenig seltsam, aber wir kennen Teilchen, die sich genau so verhalten: Nämlich die Neutrinos.

Über diese faszinierenden Elementarteilchen habe ich in Folge 289 der Sternengeschichten schon ausführlich gesprochen. Sie werden überall im Universum bei allen möglichen Arten von nuklearen Reaktionen, zum Beispiel bei der Kernfusion der Sterne erzeugt. Sie sausen in gigantischen Mengen ständig durch die Gegend und dabei unter anderem durch uns durch, um die 100 Milliarden treffen pro Sekunde auf jeden Quadratzentimeter von uns. Wir merken aber nichts davon, weil die Neutrinos nicht mit der elektromagentischen Kraft wechselwirken, sie spüren also die Atome der normalen Materie nicht und die normale Materie spürt nichts von ihnen. Das macht diese Teilchen naturgemäß schwer nachweisbar und wie wir es trotzdem geschafft haben, habe ich unter anderem in Folge 289 besprochen aber auch in Folge 265. Ich komme später noch kurz darauf zurück, aber wichtig ist vorerst: Neutrinos verhalten sich im Prinzip genau so, wie es die dunkle Materie tun sollte. Das Problem: Ihre Masse ist viel zu gering. Da reicht auch die unvorstellbare Menge an Neutrinos nicht, um die dunkle Materie erklären zu können. Außerdem sind Neutrinos zu "heiß", was natürlich nichts mit der realen Temperatur zu tun hat. Sie bewegen sich extrem schnell, nahe an der Lichtgeschwindigkeit. Das passt nicht zu dem, was wir beobachten. Die dunkle Materie hat mit ihrem Gravitationseinfluss dafür gesorgt, dass sich die normale Materie im frühen Universum zu den großen Strukturen, den Galaxienhaufen und so weiter geformt hat. Das geht aber nur, wenn die Teilchen der dunklen Materie selbst nicht so heiß sind. Wenn sie alle wild und schnell kreuz und quer durch die Gegend sausen, dann können sie nicht die Grundlage für die Strukturbildung im frühen Universum sein. Wir brauchen kalte dunkle Materie, also Teilchen, die ein bisschen langsamer sind.

Neutrinos zeigen uns also, dass es prinzipiell möglich ist, dass Teilchen existieren, die sich wie dunkle Materie verhalten. Sie sind aber nicht die richtige Art von dunkler Materie, also muss es da noch was geben, was wir noch nicht entdeckt haben. Hypothesen gibt es viele; in Folge 514 oder 470 habe ich schon ein paar davon vorgestellt. Heute bleiben wir aber bei den Neutrinos. Denn die sind selbst immer noch höchst mysteriös. Ich habe vorhin gesagt, dass ihre Masse zu gering ist, als das sie ein guter Kandidat für die dunkle Materie wären. Das ist richtig, aber eigentlich dürften Neutrinos gar keine Masse haben. Oder, um etwas genauer zu sein: Das Modell mit dem wir beschreiben, wie die Elementarteilchen sich verhalten, sieht nur linkshändige Neutrinofelder vor, die nicht an das Higgsfeld koppeln können.

Der letzte Satz macht ein paar weitere Erklärungen notwendig und ich werde mich bemühen, so kurz und verständlich wie möglich zu bleiben. In der modernen Quantenphysik werden Teilchen durch Quantenfelder erklärt. Vereinfacht gesagt: Ein solches Feld ist ein "etwas" (und anschaulicher kann man es abseits der Mathematik kaum erklären), und wenn man dieses Feld ausreichend stark anregt, nehmen wir die Anregung des Feldes als Teilchen war, also zum Beispiel als Elektron oder eben als Neutrino. Diese Quantenfelder können miteinander wechselwirken und damit erklärt man - wieder sehr vereinfacht gesagt - die Kräfte, die zwischen den Teilchen wirken. Ein ganz besonderes Feld ist das Higgsfeld: Wenn zum Beispiel das Elektronenfeld mit dem Higgsfeld wechselwirkt, oder "koppelt", wie man sagt, dann sieht das Resultat für uns so aus, als hätte das Elektron eine Masse. Oder anders gesagt: Die Stärke der Kopplung mit dem Higgsfeld bestimmt, wie groß die Masse des Teilchens ist, die wir beobachten. Und jetzt müssen wir noch kurz über die Chiralität oder "Händigkeit" sprechen. Wir haben - normalerweise - eine rechte Hand und eine linke Hand. Die eine ist die Spiegelung der anderen und sie lassen sich nicht perfekt zur Deckung bringen. Das kann man noch gut verstehen, aber wenn man in der Teilchenphysik die Begriffe "linkshändig" oder "rechtshändig" verwendet, dann hat das absolut nichts mit irgendwelchen anschaulichen Eigenschaften zu tun, weswegen ich auch gar nicht versuche, irgendwelche anschaulichen Vergleiche zu verwenden. Belassen wir es bei: Die Händigkeit ist eine Eigenschaft von Quantenfeldern, die bestimmt, wie sie mit anderen Quantenfeldern wechselwirken und sie kann zwei Zustände haben, die wir als "linkshändig" und "rechtshändig" bezeichnen. Das ist zwar nicht wirklich korrekt, aber gerade noch so wenig falsch, das man damit arbeiten kann.

Das Elektronenfeld hat zum Beispiel eine links- und eine rechtshändige Komponente und das macht es möglich, dass es an das Higgsfeld koppelt. Neutrinos beschreiben wir aber nur mit einem linkshändigen Feld und das kann nicht an das Higgsfeld koppeln. Neutrinos sollten also masselos sein, wir wissen aus Experimenten aber, dass sie eine, wenn auch kleine, Masse haben. "Wo ist das Problem?" könnte man sich da jetzt denken. Dann geben wir in die Mathematik der Quantenfelder halt auch ein rechtshändiges Neutrinofeld dazu - dann koppelt das Neutrino an das Higgsfeld und seine Masse lässt sich erklären. Das kann man machen, aber so einfach ist es nicht. Denn die Masse des Neutrinos ist wirklich, wirklich klein. So klein, dass sie sich quasi nicht messen lässt; wir wissen nur, dass sie nicht gleich Null sein kann. Das bedeutet, dass das Neutrinofeld, auch wenn wir es um einen rechtshändigen Teil ergänzen, nur extrem schwach an das Higgsfeld koppeln kann. Und dann müsste man erklären, warum das so ist und das können wir derzeit nicht.

Womit wir jetzt endlich bei den Teilchen aus dem Titel sind: Den sterilen Neutrinos. Wir kennen derzeit drei unterschiedliche Neutrinos, nämlich Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tauon-Neutrinos. Und wir wissen, dass sie sich ineinander umwandeln können. Alle drei sind linkshändige Neutrinos - es könnte aber auch sein, dass es eine vierte Neutrinoart gibt, die rechtshändig ist. Dieses hypothetische Teilchen hat man "steriles Neutrino" genannt und das "steril" bezieht sich darauf, dass so ein rechtshändiges Neutrino dann nicht mehr in der Lage wäre, über die "schwache Wechselwirkung" zu interagieren. Über diese Fundamentalkraft im Universum habe ich schon in Folge 408 ausführlich gesprochen; sie ist enorm wichtig, unter anderem dafür, wie Neutrinos ab und zu doch noch mit normaler Materie in Wechselwirkung treten und damit nachgewiesen werden können. Teilchen, die die schwache Wechselwirkung nicht spüren, nennt man aber "steril" und das sterile Neutrino wäre damit noch viel schwerer nachweisbar als die eh schon kaum nachweisbaren normalen Neutrinos. Dafür kann ein steriles Neutrino aber an das Higgsfeld koppeln und eine Masse haben. Und, über einen Mechanismus der sich "Seesaw", also "Wippe" nennt und den ich jetzt definitiv nicht im Detail erklären will, weil das alles noch verwirrender machen würde, könnte das sterile Neutrino quasi mit den anderen Neutrinos zusammenhängen und so vereinfacht gesagt ein bisschen seiner Masse auf sie übertragen. Wenn es sterile Neutrinos gibt, hätten wir also einerseits vielleicht eine Erklärung, wie anderen Neutrinos ihre Masse kriegen. Und andererseits hätten wir ein Teilchen mit einer vergleichsweise großen Masse, das weder elektromagnetisch noch mit der schwachen Wechselwirkung interagiert und damit ein idealer Kandidat wäre, um die dunkle Materie zu erklären.

Aber mit "hätte" kommen wir nicht weiter, die Frage lautet: Gibt es die sterilen Neutrinos oder nicht? Und die Antwort darauf ist ein klares: Möglicherweise! Seit den 1990er Jahren hat man bei mehreren Experimenten versucht, sie nachzuweisen. Das ist natürlich nicht so einfach, direkt lassen sich sterile Neutrinos - wie vorhin erklärt - nicht nachweisen. Man muss - vereinfacht gesagt - Neutrinos beobachten, die bei verschiedenen Kernreaktionen entstehen. Die normalen Neutrinos können sich - wie ich auch vorhin schon gesagt habe - ineinander umwandeln. Das heißt: Wenn bei einem radioaktiven Zerfall oder einer Fusionsreaktion zum Beispiel ein Elektron-Neutrino entsteht, dann kann und wird es sich nach kurzer Zeit in ein Myon-Neutrino umwandeln. Und dass kann sich ebenfalls umwandeln, und so weiter. Die Neutrinos wechseln zwischen den verschiedenen Arten hin und her und diese Neutrino-Oszillationen folgen konkreten Regeln, die allerdings leicht unterschiedlich sind, je nachdem ob es sterile Neutrinos gibt oder nicht. In den Experimenten versucht man also möglichst genau zu messen, ob es von bestimmten Neutrinoarten mehr oder weniger gibt, als man erwarten würde. Und wenn die Messungen von den Erwartungen abweichen, könnte das ein Hinweis auf die Existenz eines sterilen Neutrinos sein. Dazu muss man natürlich sehr viele Messungen anstellen, um sich sicher sein zu können, dass man nicht einfach durch Zufall mehr oder weniger Neutrinos gemessen hat, sondern dass ein echter, systematischer Effekt ist. Und tatsächlich hat man immer wieder Mal Hinweise auf solche systematischen Abweichungen gesehen - zum Beispiel 2018 beim MiniBOONE-Experiment am Teilchenbeschleuniger des Fermilab. Die haben sich, dann aber bei weiteren Messungen nicht bestätigt. Die Daten schließen sterile Neutrinos nicht aus. Aber sie schließen sterile Neutrinos aus, die die Eigenschaften haben, von denen wir gedacht hätten, dass sie sie höchstwahrscheinlich haben. Wenn es sie gibt, dann müssen sie zum Beispiel deutlich mehr Masse haben, als gedacht. Und wenn das so ist, dann können sie immer noch gute Kandidaten für die dunkle Materie sein und immer noch erklären, wie die anderen Neutrinos an ihre Masse kommen. Aber sie sind halt dann noch schwerere nachweisbar.

Neutrinos sind höchst faszinierende Teilchen. Es ist schon beeindruckend genug, dass wir sie überhaupt entdeckt haben, so wenig wie sie mit dem Rest des Universums wechselwirken. Aber es gibt sie und es gibt keinen Grund, warum es nicht auch Teilchen geben sollte, die noch weniger Kontakt zu unserer normalen Welt haben. Irgendeine Erklärung muss es für die Masse der Neutrinos geben und ebenso für die dunkle Materie. Wenn sterile Neutrinos die Antwort auf diese Frage sind, dann werden sie uns auch irgendwann ins Netz gehen - denn was das angeht ist die Teilchenphysik ebenso hartnäckig wie die Astronomie. Wenn es etwas zu finden gibt, dann schauen wir so lange, bis wir es auch gefunden haben.

Am 20. November 2004 ist in Cape Canaveral eine Delta-II-Rakete ins All gestartet. An Bord war ein 1470 Kilogramm schwerer und fast 6 Meter großer Satellit, der kurz danach fast perfekt auf seiner Umlaufbahn in circa 600 Kilometer Höhe abgeliefert wurde. Das Projekt der NASA trug damals noch den Namen "Swift" und seine Aufgabe war es, die größten Explosionen des Universums zu erforschen.

Gemeint sind damit die Gammablitze über die ich schon ausführlich in Folge 42 der Sternengeschichten gesprochen habe. Kurz gesagt sind das Ereignisse, bei denen in sehr kurzer Zeit enorme Mengen an elektromagnetischer Strahlung frei werden, nicht nur aber vor allem im hochenergetischen Bereich, also im Gammastrahlungsbereich. Entdeckt hat man dieses Phänomen in den 1960er Jahren mit Satelliten, die eigentlich prüfen sollten, ob irgendwer auf der Erde heimlich Atomwaffentests durchführt. Stattdessen hat man gigantische Explosionen im All gefunden, die weit entfernt, außerhalb der Milchstraße, quasi überall stattfinden. Und ich habe deswegen bis jetzt von "Ereignissen" und "Phänomenen" gesprochen, weil lange Zeit nicht so wirklich klar war, um was es sich dabei eigentlich handelt. Die Energiemengen die da frei werden, sind so enorm, dass es eigentlich keinen vernünftigen physikalischen Prozess gibt, der so etwas erzeugt. Mittlerweile weiß man natürlich ein wenig mehr. Eine Quelle von Gammablitzen sind Hypernovae. Also sowas wie eine Supernova, nur noch heftiger. Wenn ein wirklich, wirklich großer Stern, mit mehr als der hundertfachen Masse der Sonne, die Kernfusion in seinem Inneren einstellt und sein Leben beendet, dann kann er auf so gewaltige Weise kollabieren, dass wirklich viel Energie frei wird. Solche Sterne hat es vor allem im frühen Universum gegeben (es gibt sie aber auch jetzt noch) und deswegen sieht man die Gammablitze der Hypernovae vor allem weit entfernt, in Bereichen, aus denen das Licht entsprechend lange bis zu uns braucht. Es gibt aber auch Gammablitze, die man mit einer Hypernova nicht erklären kann und Swift war unter anderem dazu da, diese Frage zu klären.

Einen Gammablitz zu erforschen ist schwierig. Man kann warten, bis man irgendwo am Himmel so einen Blitz sieht. Aber dann ist es schon fast wieder zu spät, denn sie dauern nur ein paar Sekunden bis höchstens ein paar Minuten. Kaum dass man das Ding gefunden hat, ist es schon wieder vorbei und natürlich kann man probieren, an der Stelle am Himmel zu schauen, wo der Blitz stattgefunden hat, ob da noch was zu sehen ist. Aber die hochenergetische Strahlung wird durch die Atmosphäre der Erde blockiert und es ist schwer, mit den Instrumenten die wir hier haben, entsprechende Forschung anzustellen. Man kann natürlich schon auch mit den passenden Teleskopen von der Erde aus Informationen sammeln, aber dazu muss man idealerweise vorher genau wissen, wohin man schauen muss oder zumindest sehr, sehr kurz nachdem der Blitz stattgefunden hat. Genau deswegen hat man Swift ja auch ins All geschickt und genau deswegen hat man sich genau überlegt, welche Instrumente man in den Satelliten einbaut. Da ist zuerst einmal BAT, das Burst Alert Telescope. Es ist dazu da, Gammablitze zu sehen. Wenn BAT eine Beobachtung gemacht hat, wird die Position sofort zur Erde geschickt, wo passende Teleskope darauf warten und mit Höchstgeschwindigkeit in Position gebracht werden. Gleichzeitig kann Swift das XRT und das UVOT einsetzen. XRT steht für X-Ray Telescope, was einfach nur "Röntgenteleskop" heißt und genau das ist. Das UVOT ist das Ultraviolet/Optical Telescope und kann den Himmel im ultravioletten und normalen, sichtbaren Licht beobachten. Beide sind dazu da, das Nachleuchten der Gammablitze zu beobachten. Denn auch wenn der Blitz selbst nur kurz dauert, kann danach auch noch Strahlung mit weniger Energie, also eben Röntgen-, UV- und normales Licht freigesetzt werden. Zum Beispiel weil Material, dass bei der Sternexplosion weggeschleudert wird, mit dem interstellaren Gas kollidiert und dabei neue Strahlung erzeugt. Dieses Nachleuchten zu beobachten ist ein wichtiger Schritt, wenn man wissen will, was da eigentlich passiert ist.

Die Swift-Mission war vorerst für zwei Jahre finanziert; gebaut hat man den Satelliten aber für eine Lebensdauer von mindestens sieben Jahren. Und dass sich der Bau gelohnt hat, hat man quasi unmittelbar gesehen. Noch während alles getestet wurde, hat man den ersten Gammablitz gesehen und dann jede Menge mehr. Im Mai 2010, also fast sechs Jahre nach dem Start waren es schon 500. Im Oktober 2015 hat man den 1000. Gammablitz beobachtet und das zeigt nicht nur den Erfolg der Mission, sondern auch die Tatsache, dass sie weit über die zwei beziehungsweise sieben Jahre verlängert worden ist. Aber dazu kommen wir später noch - schauen wir zuerst mal, was bei diesen 1000 Gammablitzen alles dabei war. Zum Beispiel GRB050509B, am 9. Mai 2005. Und so bezeichnet man Gammablitze: Am Anfang steht "GRB" für "Gamma Ray Burst" und die Zahlen geben das Datum an, an dem man das Ereignis beobachtet hat. In diesem Fall war es der erste Gammablitz mit kurzer Dauer - nur ein zwanzigstel einer Sekunde - für den eine ausreichend genaue Position angegeben werden konnte, um auch herauszufinden, wo genau das Ding stattgefunden hat. In dem Fall in einer elliptischen Galaxie, deren Licht circa 3 Milliarden Jahre bis zu uns gebraucht hat. Kurz danach, am 4. September 2005 konnte ein Gammablitz gemessen werden, dessen Licht 12,5 Milliarden Jahre bis zu uns gebraucht hat, der damals am weitesten entfernte Gammablitz überhaupt. Swift hat weitere Rekordereignisse gefunden: Den längsten Gammablitz mit 33 Minuten Dauer, im Februar 2006. Oder am 19. März 2008 einen Gammablitz, der so absurd hell war, das man ihn theoretisch sogar kurz mit freiem Auge sehen hätte können, wenn man im richtigen Moment zum Himmel geschaut hätte. Dann hätte man Licht gesehen, dass 7,5 Milliarden Jahre zu uns unterwegs war, so weit, wie nichts anderes das wir ohne optische Hilfsmittel sehen können. Die Rekorde für den am weitesten entfernten, den längsten, den heftigsten, und so weiter Gammablitz wurden im Laufe der Zeit immer wieder gebrochen. Und die vielen Daten zeigten auch langsam, was es neben sehr großen Sternen, die explodieren, sonst noch für Mechanismen gibt, die Gammablitze erzeugen. Die sehr kurzen Ereignisse zum Beispiel stammen von Kollisionen, wenn zum Beispiel zwei Neutronensterne miteinander zusammenstoßen. Das passiert zwar nicht sehr oft, aber wenn es passiert, wird dabei so viel Energie frei, dass man die Kollision durch das halbe Universum sehen kann.

Swift hat aber nicht nur Gammablitze erforscht. Auch andere Ereignisse erzeugen hochenergetische Strahlung, zum Beispiel klassische Supernovae. Genau so eine hat Swift im Januar 2008 beobachtet, in einer 85 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie. Sie hatte schon eine paar Wochen vorher stattgefunden und Swift sollte ein paar zusätzliche Daten sammeln. Und während Swift das gemacht hat, gab es noch eine Supernova in dieser Galaxie. Das war ein riesiger Glücksfall, denn man konnte nun den gesamten Verlauf der Supernova verfolgen, das erste Aufleuchten und das Nachglühen. Normalerweise verpasst man die frühe Phase, in diesem Fall war man von Anfang an dabei und konnte so wertvolle Informationen sammeln. Swift hat das Auseinanderbrechen von Sternen beobachtet, die von einem schwarzen Loch zerissen werden, die Strahlungsausbrüche von roten Zwergsternen und im Jahr 2017 auch die berühmte Kilonova AT2017gfo. Am 17. August 2017 konnte man Gravitationswellen messen, die aus einer 130 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie stammen. Es war genau die Art von Gravitationswellen, die man erwarten würde, wenn dort zwei Neutronensterne kollidieren. In diesem Fall ließ sich das aber auch bestätigen. Denn sowohl Swift, als auch das Hubble-Weltraumteleskop und diverse andere Instrumente konnten in der Galaxie das Nachleuchten des Ereignisses beobachten. Damit war es zum ersten Mal gelungen, nicht nur eine Gravitationswelle zu messen, sondern auch das Licht zu beobachten, dass von diesem Ereignis stammt. Und man konnte nocheinmal bestätigen, dass es wirklich kollidierende Neutronensterne sind, die kurze Gammablitze auslösen.

Ich könnte noch sehr, sehr viel länger erzählen, was Swift alles beobachtet hat. Der Satellit hat wunderbar funktioniert und es ist deswegen auch nicht überraschend, dass man ihn weit über die geplante Lebensdauer hinaus betrieben hat. Im Jahr 2017 hat man ihn dann auch unbenannt: Aus "Swift" wurde das "Neil Gehrels Swift Observatory", benannt nach dem amerikanischen Astronom Neil Gehrels, der Experte für Gammaastronomie und leitender Forscher der Swift-Mission war und im Februar 2017 verstorben ist. Das nun nach ihm benannte Teleskop aber war noch aktiv, ein Ende aber leider absehbar. Swift hat keinen eigenen Antrieb und auch wenn es in 600 Kilometer Höhe ziemlich leer ist, ist dort noch ein kleines bisschen Restatmosphäre übrig. Dieser mininale Luftwiederstand, zusammen mit dem Einfluss des Sonnenwindes reicht aus, dass der Satellit langsam aber sicher sinkt. 2025 betrug die Höhe der Umlaufbahn nur noch 500 Kilometer und es hat sich abgezeichnet, dass es bald zu Ende geht. Die NASA wollte ein so wichtiges und erfolgreiches Teleskop aber nicht einfach aufgeben, vor allem weil man noch keinen wirklichen Ersatz hatte, der ebenso schnell auf Gammablitze reagieren konnte wie Swift. Im September 2025 hat man deswegen die private Weltraumfirma Katalyst beauftragt, das Teleskop wieder anzuheben. Dazu musste ein spezielles Raumfahrzeug gebaut und ins All geschickt werden und das schnell! Im Sommer 2026 musste es soweit sein, sonst hätte man vermutlich keine Chance mehr. Katalyst hat schnell gearbeitet und vielleicht sogar zu schnell. Das Raumschiff mit dem Namen LINK flog am 3. Juli 2026 ins All und am 25. Juli fiel seine Höhenkontrolle aus. Zwei der drei Schwungräder, die die Fluglage halten sollten, waren defekt und es gab noch andere Probleme. Man probierte sie zu lösen, aber am 19. August musste man aufgeben. Ein knappes Monat später, am 25. September 2026, verglühte LINK in der Erdatmosphäre. Damit war auch das Ende von Swift besiegelt. Es war mittlerweile so tief gesunken, dass für einen erneuten Versuch einer Anhebung keine Zeit mehr war. Aber immerhin hat das das Neil Gehrels Swift Observatorium 22 Jahre durchgehalten, 20 Jahre länger als ursprünglich geplant. In dieser Zeit hat es uns ein Universum voller gigantischer Explosionen gezeigt und wir haben sie dank dieses Instruments sehr viel besser verstanden als davor.