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Tuesday, October 26, 2021

Vera Rubin

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Es gibt eine Kraft, die unser Universum im Innersten zusammenhält und ohne die es einfach auseinanderfallen würde. Und diese Kraft ist die Liebe… Nur Spaß, diese Kraft ist natürlich die Dunkle Materie. Bewiesen wurde ihre Existenz in den 1960ern durch Vera Rubin und Kent Ford. Ihre Entdeckung brachte uns nicht weniger als ein Verständnis dessen, was unser Universum zusammenhält, wie es entstanden ist und wie sein Schicksal aussehen könnte – den beiden seltsamerweise allerdings nie einen Nobelpreis. Dafür wurde Vera Rubin aber immerhin Namensgeberin des Observatoriums, welches die vielen verbleibenden Rätsel rund um ihre Entdeckung in den nächsten Jahren lösen soll.

Steckbrief: Vera Rubin

Vollständiger Name: Vera Florence Cooper Rubin

Geboren: 23. Juli 1923 in Philadelphia

Gestorben: 25. Dezember 2016 in Princeton

Berufsfeld: Astrophysik

Werke: Bright Galaxies; Dark Matters.

Ehrungen: Mitglied der National Academy of Sciences; Mitglied der American Academy of Arts and Sciences; Mitglied der National Philosophical Society; National Medal of Science; Dickson Prize in Science; Henry Norris Russell Lectureship; Goldmedaille der Royal Astronomical Society; Benennung des Asteroiden (5726) Rubin; Benennung des antarktischen Bergs Rubin Peak; Benennung des Kamms Vera Rubin Ridge auf dem Mars; Umbenennung des Large Synoptic Survey Telescopes in Vera C. Rubin ObservatoryGruber Cosmology PrizeBruce MedalJames Craig Watson Medal; Jansky Lectureship; Richtmyer Memorial AwardAdler Planetarium Lifetime Achievement AwardWeizmann Women & Science Award; Ehrendoktortitel der Havard University, der Yale University, des Smith Colleges, des Grinnell Colleges und der Princeton University

Lebenslauf

1923: Geburt in Philadelphia

1938: Umzug nach Washington D.C., wo Rubin sich erstmals für Astronomie interessierte

1948: Bachelor-Abschluss am Vassar College und Hochzeit mit Robert Rubin

1951: Master-Abschluss an der Cornell University

1954: Promotion an der Georgetown University und Beginn der Forschungen an Galaxien

1963: Beginn der Zusammenarbeit mit den Astrophysiker*innen Margaret Burbidge und Geoffrey Burbidge zur Erforschung von Galaxien

1965: Beginn an der Carnegie Institution for Science und Beweis der Existenz Dunkler Materie

1976: Beschreibung des Rubin-Ford-Effekts

1997: Erscheinung von “Bright Galaxies, Dark Matters.”

2016: Tod in Princeton

2020: Umbenennung eines großen Spiegelteleskops unter anderem zur Erforschung Dunkler Materie in Vera C. Rubin Observatory

Zitate

“Ich lebe und arbeite mit drei Grundannahmen: 1) Es gibt kein Problem in der Wissenschaft, das von einem Mann gelöst werden kann, das nicht von einer Frau gelöst werden kann. 2) Weltweit befindet sich die Hälfte aller Gehirne in Frauen. 3) Wir alle brauchen die Erlaubnis, Wissenschaft zu betreiben, aber aus Gründen, die tief in der Geschichte verwurzelt sind, wird diese Erlaubnis öfter Männern als Frauen erteilt”.

Vera Rubin

“Das Schlafzimmer meiner Kindheit – etwa im Alter von zehn Jahren – hatte ein Bett, welches direkt unter Fenstern stand, die in Richtung Norden ausgerichtet waren. Mit zehn Jahren begann ich zu beobachten wie sich die Sterne über den Nachthimmel bewegen.”

Vera Rubin

“Ruhm ist vergänglich. Meine Zahlen bedeuten mir mehr als mein Name.”

Vera Rubin

Lebenswerk

Wenn Wissenschaftler*innen auf Vorträgen ganz selbstverständlich von Dunkler Materie sprechen, dann mag das für den Laien vielleicht den Eindruck erwecken, wir hätten zumindest den Hauch einer Ahnung, wovon wir eigentlich reden. Ich möchte hier mal ganz ehrlich sein: Wenn Physiker*innen vor irgendwas das Wort “dunkel” setzen, dann klingt das zwar so, als würden sie es verstehen, aber in der Regel bedeutet es in etwa: Puh, hoffentlich stellt niemand eine Frage dazu. Bei Dunkler Materie ist das exakt so, wir könnten sie auch genauso gut unbekannte Materie oder unerklärliche Materie nennen. Aber immerhin wissen wir, was Dunkle Materie macht und dass sie wahrscheinlich existiert und das haben wir Vera Rubin zu verdanken.

Vera Rubin beobachtete nämlich Galaxien. Das ist an sich noch nichts besonderes, mit einem kleinen Teleskop kann das jede*r und die Andromeda-Galaxie kann man sich beispielsweise sogar mit bloßem Auge ansehen. Doch Vera Rubin nahm genau diese Galaxie einmal etwas genauer unter die Lupe. Wie fast alles im Weltraum drehen sich Galaxien in der Regel, unsere Sonne dreht sich zum Beispiel alle 225 Millionen Jahre einmal um das Zentrum der Milchstraße.

Wie schnell sich ein Stern um das galaktische Zentrum dreht, ist natürlich primär von seinem Abstand abhängig. Besonders in den äußeren Regionen, in denen auch wir leben, müssten Sterne sich relativ gemächlich bewegen, denn dort werden sie natürlich nicht so stark angezogen und würden einfach wegfliegen, würden sie sich schneller bewegen.

Vera Rubin wollte nun gemeinsam mit dem Astronomen Kent Ford die Rotation der Sterne in der benachbarten und daher gut beobachtbaren Andromedagalaxie studieren. Ford war ein angesehener Spezialist, der sich sehr gut mit astronomischen Instrumenten vor allem zur Beobachtung anderer Galaxien auskannte.

So baute er den modernsten Spektrografen seiner Zeit, es war der erste, der es ermöglichte, die Wellenlängen der einzelnen Regionen einer Galaxie genauer zu untersuchen, was für Vera Rubins Forschung notwendig war. Die beiden nahmen damit anschließend sogenannte H-II-Gebiete, das sind Sternentstehungsregionen, in den Außenbezirken der Andromedagalaxie unter die Lupe – oder besser gesagt unter das Prisma.

Dabei machten sie eine wirklich sehr seltsame Entdeckung. Im Innern der Galaxie rotierten die Sterne ungefähr so schnell wie zuvor berechnet. Doch die weiter außen liegenden Sterne rotierten kaum langsamer, ebenfalls mit den typischen 200 km/s. Die Diskrepanz zu den Berechnungen war wirklich bemerkenswert, denn die Sterne rotierten so schnell, dass die Masse der Andromedagalaxie eigentlich gar nicht genügen dürfe, um sie noch festzuhalten, sie müssten eigentlich in die Tiefen des Weltalls fliegen. Diese Beobachtung traf bei allen Spiralgalaxien zu, eigentlich müssten Galaxien in unserem Universum also auseinanderfliegen – unsere eigene eingeschlossen. Die meisten Forscher waren ratlos.

Vera Rubin jedoch versuchte, eine Erklärung für die viel zu schnelle Rotation zu finden und das mit Erfolg. Sie berechnete nämlich, dass die Sterne durchaus so schnell rotieren könnten ohne zu entfliegen – wenn die Andromedagalaxie deutlich massereicher wäre als gedacht, denn dann würde ihre Gravitationskraft ausreichen, um die Sterne so weit zu beschleunigen und an sie zu binden.

Doch deutlich massereicher meint hier auch wirklich deutlich, das konnte kein kleiner Messfehler sein, denn Vera Rubin berechnete, dass sie Galaxie etwa zehnmal massereicher sein müsste als durch die sichtbare Materie erklärbar. Und nicht nur das, die Masse müsste sich auch ganz anders verteilen als die sichtbare Masse es tut, sie müsste die Galaxie quasi in großem Abstand umschließen. Doch da war nun mal nichts, keine Sterne, kein Gas, kein Staub. Es musste also riesige Mengen gänzlich unsichtbare Masse geben.

Das mag vielleicht sehr abwegig klingen und viele Physiker*innen lehnten Vera Rubins These anfangs noch ab, doch tatsächlich war sie nicht die erste, die eine vergleichbare Entdeckung machte. Schon in den 1930ern stieß der schweizerische Astronom Fritz Zwicky auf Unregelmäßigkeiten bei der Beobachtung des Coma-Haufens, eines 300 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxienhaufens, er müsste 400-mal massereicher sein, um zusammenzuhalten. Doch da Zwicky keine Erklärung dafür hatte, was den Coma-Haufen zusammenhielt, blieb seine Entdeckung nur eine Randnotiz. Als Vera Rubin dann Jahrzehnte später ihre Entdeckung publik machte, verhalf dies der Dunklen Materie jedoch zum Durchbruch.

Das lag zum einen daran, dass das Phänomen nun auf zwei gänzlich verschiedenen Größenordnungen bestätigt wurde – einmal innerhalb einer Galaxie zwischen den Sternen bei Andromeda und einmal innerhalb eines Galaxienhaufens zwischen den Galaxien beim Coma-Haufen. Zudem war Vera Rubin die erste, die nicht nur die Messungen durchführte, sondern auch eine nicht mit Licht wechselwirkende Materie für die Beobachtungen verantwortlich machte. Die Tatsache, dass es sich also tatsächlich um zusätzliche Masse handelt, hat einen großen Einfluss auf unser Weltbild, denn es entscheidet über die Zukunft des Universums und das Ende des Universums.

Dass es überhaupt ein Ende des Universums gibt, war lange Zeit nicht klar. Mittlerweile wissen wir jedoch, dass der Kosmos sich ausdehnt und somit immer weiter abkühlt. Wie es sich in ferner Zukunft entwickelt, hängt davon ab, ob die durchschnittliche Energiedichte des Universums größer oder kleiner ist als drei Wasserstoffatome pro Kubikmeter – die sogenannte kritische Dichte. Daraus ergeben sich drei Möglichkeiten für die Zukunft des Universums:

1.Die Energiedichte ist deutlich kleiner als die kritische Dichte: In diesem Fall würde die Geschwindigkeit der Ausdehnung des Universums noch zunehmen und es würde immer weiter beschleunigt auseinander driften. Irgendwann würden sich die Galaxienhaufen so schnell voneinander entfernen, dass eine Kommunikation zwischen ihnen unmöglich wird. Jede Galaxie würde zu ihrem eigenen Universum und ihre Bewohner*innen würden nie von dem großen und prächtigen Universum erfahren, das sie umgibt. Am Ende wären alle Sterne ausgebrannt, alle Planeten zerfallen und alle Schwarzen Löcher zerstrahlt. Die verbleibenden subatomaren Teilchen würden sich immer weiter entfernen.

2.Die Energiedichte entspricht sehr genau der kritischen Dichte: Dies ist ein Sonderfall, denn in diesem Fall ist unser Universum flach und unendlich groß. Sollte dies der Fall sein, dann wird sich der Kosmos immer weiter ausdehnen, die Expansionsgeschwindigkeit würde sich aber null nähern. Im Wesentlichen ist die Entwicklung hier ähnlich wie im Fall einer kleineren Dichte. Lediglich die Details unterscheiden sich: Die im leeren Kosmos verbleibenden Teilchen würden einander umkreisen und schließlich kollidieren – dabei entstünde ein letztes Mal Licht. Das Universum wäre am Ende also eine gestaltlose Wüste aus Strahlung.

3.Die Energiedichte ist deutlich größer als die kritische Dichte: Dies hätte den wohl spektakulärsten Tod des Universums zufolge. Es gäbe dann genügend Masse und somit Gravitation, um die Expansion des Weltalls in einigen Billionen Jahren zu stoppen und umzukehren. Unser Universum würde wieder in sich zusammenfallen und in einem umgekehrten Urknall – dem Endknall – enden. Aus diesem Zustand könnte dann eventuell ein neuer Urknall mit einem neuen Universum hervorgehen.

Was hat das nun mit Vera Rubins Dunkler Materie zutun? Ganz einfach: Bezieht man nur die sichtbare Materie ein, dann beträgt die Energiedichte im Universum nur ein Bruchteil der kritischen Dichte, sie ist viel kleiner. In diesem Fall würde die Geschwindigkeit der Expansion des Kosmos also immer weiter zunehmen.

Doch berechnet man die von Vera Rubin entdeckte Dunkle Materie mit, dann steigt die Dichte erheblich und zwar ziemlich genau auf das Niveau der kritischen Dichte. Durch die Entdeckung der Dunklen Materie wissen wir nun also, dass der Kosmos mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit exakt so dicht ist, dass es nicht ganz für einen Kollaps genügt.

Als absolut gesichert kann man das alles noch nicht betrachten, denn wir wissen kaum etwas über das Wesen der Dunklen Materie und wir wissen noch weniger über ihren Gegenspieler, der das Universum auseinander treibt – die Dunkle Energie. Aber unser Universum scheint so geschaffen zu sein, dass es genau den Sonderfall trifft, in dem weder die Gravitation noch die Dunkle Energie endgültig siegen können.

Für uns würde diese Konsequenz der Entdeckung Vera Rubins bedeuten: Es gibt wahrscheinlich keinen neuen Urknall, sondern lediglich eine ewige Finsternis in ferner Zukunft. Die aktuelle Phase des Universums, in der es Sterne, Planeten und Leben gibt, ist einmalig, unglaublich kurz und all das wird nie wieder kommen, wenn es einmal vergangen ist. Dessen sollten wir uns immer bewusst sein, wenn wir mal wieder einen schlechten Tag haben.

Doch es bedeutet noch mehr: Auch die Geometrie des Universums ist von seiner Energiedichte abhängig. Ein Kosmos, dessen Dichte der kritischen Dichte entspricht, ist ein sogenannter Einstein-de-Sitter-Kosmos, was kompliziert klingt, aber eigentlich nur eines bedeutet: Der Kosmos ist flach. Ehrenrettung für alle Flacherdler*innen.

Wissenschaftlicher ausgedrückt ist es nicht gekrümmt. Es entspricht gewissermaßen einer unendlich großen Tischdecke und ist weder positiv gekrümmt wie ein Kugel noch negativ gekrümmt wie ein Sattel (oder ein Pringels-Chip). Zu bildlich sollte man dies aber nicht interpretieren. Die Krümmung ist nämlich nur eine Metapher für eine andere Frage: Mit welcher Geometrie lässt sich der Kosmos beschreiben? Wir kennen vor allem die euklidische Geometrie, die den Regeln folgt, die wir in der Schule lernen: Dreiecke haben eine Winkelsumme von 180°C, Parallelen schneiden einander niemals, etc…

Diese Geometrie gilt allerdings nur auf einer nicht gekrümmten Fläche, etwa auf einem Papier. Dies können wir uns mit einem Beispiel verdeutlichen: Ich denke, alle Leser*innen dieses Blogs können sich darauf verständigen, dass die Erde annähernd eine Kugel ist (ansonsten: diese Website habt ihr gesucht). Wenn wir nun am Äquator zwei zueinander parallele Geraden zeichnen und diese dann bis zum Nodpol verlängern, dann werden sie sich dort treffen – obwohl sie parallel sind. Und wenn wir diese Geraden dann noch mit einer Linie auf dem Äquator verbinden, dann haben wir ein Dreieck mit zwei 90°-Winkeln – die euklidischen Regeln wurden hier also sauber ausgehebelt.

Die Frage ist nun, ob diese Regeln in unserem Universum gelten, ob zwei parallele Lichtstrahlen sich tatsächlich nie schneiden würden, also ob unser Universum flach ist. Und aktuell sieht es stark danach aus. Ein flaches Universum wäre mit hoher Wahrscheinlichkeit auch unendlich groß (obwohl grundsätzlich auch endliche, euklidische Geometrien möglich sind, etwa ein Hypertorus). Die Konsequenzen eines unendlichen Universums wären enorm, denn es gäbe dann unendlich viele Doppelgänger*innen von uns allen, unendlich viele Erden, auf denen die Geschichte vielleicht anders verlaufen ist und überhaupt alles, was wir uns vorstellen können.

Wie ich darauf komme? Unendlich bedeutet nicht anderes, als dass alle theoretisch möglichen Kombinationen unendlich oft erfüllt sind. Wir alle sind nichts andere als mögliche Kombinationen von Atomen. In einem unendlich großen Universum gäbe es noch ganz andere solcher Kombinationen: Irgendwo da draußen gäbe es eine Version meiner selbst, die über diese ganze Wissenschafts-Sache hinweg und stattdessen eine Punkrock-Band gründete. Kann ich mit leben. In einem anderen kandidiert aber ein Jason von Juterczenka auf Listenplatz 3 für die AfD…

Es erinnert etwas an die Geschichte des Affen, den man unendlich lang in einen Käfig mit einer Schreibmaschine setzt: Irgendwann wird der die komplette Französische Nationalbibliothek fehlerfrei abgetippt haben – und zwar unendlich oft – einfach, weil er so lange tippt, bis er es getan hat und sogar noch länger.

Wir können sogar grob schätzen wie weit unser*e nächste*r Doppelgänge*rin von uns entfernt wohnt: Etwa 10^10^29 Meter: Das ist eine eins mit 100.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Nullen – mit einem persönlichen Treffen wird es also schwierig. Aber ich tröste mich einfach damit, dass gerade einer meiner Doppelgänger dasselbe über mich schreibt – in seinem Blog, der bezüglich der Aufrufzahlen die Bild-Zeitung längst geschlagen hat.

Das alles klingt wirklich verrückt und ganz sicher ist es natürlich auch noch nicht, denn wir wissen eben nicht genau, ob die kritische Dichte wirklich erfüllt wird, wir wissen nicht wie viel Dunkle Materie es genau gibt und wie sie verteilt ist – letzteres konnte Vera Rubin jedoch zum Teil kartierten, denn die Dunkle Materie verteilt sich vor allem in den Außenbezirken einer Galaxie und bettet sie sozusagen ein. Diese These Vera Rubins wurde mittlerweile bestätigt.

Die letzten Rätsel um die Dunkle Materie lösen und somit das Bild eines flachen und ewig expandieren Universums final bestätigen soll schon bald das nach Vera Rubin benannte Vera C. Rubin Observatory. Das gigantische Spiegelteleskop wird auf einem Gipfel des Cerro Pachón in Chile gebaut und soll ab 2022 etwa zehn Milliarden Sterne kartieren, die dann auf einer im Internet für alle zugänglichen Sternkarte veröffentlicht werden sollen. Damit könnten wir dann etwa zehn Prozent der Sterne unserer Galaxie lokalisieren.

Das nach Vera Rubin benannte Observatorium soll aber auch weit entfernte Asteroiden im Sonnensystem finden, Supernovae beobachten und – der wichtigste Teil – Dunkle Materie und Dunkle Energie finden und charakterisieren. Dies soll durch den Gravitationslinseneffekt erfolgen: Eine große Masse die von der Erde aus vor einem weiter entfernt liegenden Objekt hinwegzieht, krümmt und verzerrt das Licht dieses Objekts. Die Krümmung gibt dann auch Aufschluss über die Beschaffenheit der Masse des Körpers.

Doch sollte das Vera C. Rubin Observatory wirklich Dunkle Materie finden oder auch nur bestätigen, dass die kritische Dichte durch die Dunkle Materie tatsächlich erfüllt wird, wäre das nicht nur eine historische wissenschaftliche Erkenntnis, sondern es würde auch eine große Frage aufwerfen: Wieso? Das Problem ist, dass auch nur eine winzig kleine Abweichung von der kritischen Dichte zum Moment des Urknalls sich extrem stark aufsummieren würde. Damit die kritische Dichte gegeben ist, muss sie also wirklich extrem genau getroffen sein.

Da stellt sich natürlich die Frage, wieso das so ist, denn es ist wohl kaum mit Zufall erklären, dass von all den Möglichkeiten genau diejenige vorliegt, bei der das Universum ewig, aber nicht ewig beschleunigt expandiert. Das sieht schon sehr nach Feinabstimmung aus, als ob da jemand wäre, der festgelegt hat, dass genau die kritische Dichte erreicht sein muss, damit sich das Universum so entwickelt wie es sich entwickelt – doch da ist niemand. Sollten sich die aktuellen Tendenzen bestätigen, dann könnte diese Feinabstimmung in den kommenden Jahren zu einem der größten wissenschaftlichen Rätseln werden.

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