Dunkle Materie und Dunkle Energie

Dunkle Materie: Die Bewegung der Sterne in unserer Milchstraße, die Bewegung einzelner Galaxien in Galaxienhaufen, das Verhalten von Wasserstoffgas in Galaxienhaufen und die Existenz und das Ausmaß von Gravitationslinsen (das bedeutet die Lichtablenkung des Lichts von Hintergrundgalaxien durch die Schwerkraft im Vordergrund stehender Galaxienhaufen, die zu Mehrfachabbildungen und Verzerrungen der Hintergrundgalaxien führen, analog zur Wirkung einer optischen Linse) lassen sich durch die gravitative Wirkung der sichtbaren Himmelskörper allein nicht erklären. Mehrere voneinander unabhängige Bestimmungsmethoden haben – schon seit den 1930-iger Jahren – gezeigt, dass die Masse der nichtleuchtenden Materie in Galaxien um das Zehnfache und in Galaxienhaufen um das Fünfzigfache größer sein muss als die Masse der leuchtenden Materie.

Weil diese Materie zwar eine Schwerkraftwirkung besitzt, aber nicht leuchtet, spricht man von Dunkler Materie.

Diese Dunkle Materie besteht zumindest teilweise aus normaler Materie (z.B. Protonen, Neutronen, Elektronen, Gas, Staub, Planeten, braune Zwerge). Alle bisherigen Beobachtungen zeigen aber, dass deren Masse bei weitem nicht ausreicht, die beschriebenen gravitativen Wirkungen zu erklären; vielmehr scheint es sich dabei um Teilchen zu handeln, die bisher – abgesehen von ihrer Schwerkraftwirkung – nicht nachweisbar sind, weil sie mit der normalen Materie nicht in Wechselwirkung treten. Sie werden deshalb als WIMPs (weakly interacting massiv particles = schwach wechselwirkende massereiche Teilchen) bezeichnet.

Ganz wichtig: obwohl die Existenz der Dunklen Materie derzeit unstrittig ist, ist die Natur dieser Teilchen nicht bekannt und auch ihre Existenz ist nach wie vor hypothetisch!

Die Schwerkraft der Dunklen Materie ist die wichtigste Kraft, die die Strukturen des Universums zusammenhält und ist die Ursache dafür, dass sich Galaxien und Galaxienhaufen überhaupt gebildet haben.

Die Randverdunkelung der Sonne

Bei der Sonnenbeobachtung fällt auf, dass die Helligkeit der Sonne zum Sonnenrand hin abnimmt.

Dieser Effekt wird als Randverdunkelung der Sonne bezeichnet. Die Ursache dieses Phänomens liegt darin begründet, dass wir in der Mitte der Sonnenscheibe in tiefere und damit heißere und deswegen hellere Schichten der Photosphäre der Sonne blicken als an ihrem Rand. In der Randzone nimmt die Sichttiefe ab, so dass wir in eine Schicht mit niedrigerer Temperatur und damit geringerer Helligkeit blicken. Die Photosphäre ist eine ungefähr 500 km dicke Schicht an der Oberfläche der Sonne, aus der das sichtbare Licht abgestrahlt wird. Die im Verhältnis zur Entfernung der Sonne geringe Dicke der Photosphäre ist übrigens die Ursache dafür, dass wir den Sonnenrand scharf begrenzt sehen, obwohl die Sonne natürlich kein fester, sondern ein gasförmiger Körper ist.

Die Milchstraße

Wenn wir bei besonders dunklem und klarem nächtlichen Sternenhimmel ein nebelhaftes Lichtband wahrnehmen, das sich von den Zwillingen bis zum Fuhrmann über die Sternbilder Cassiopeia, Schwan, Adler, und den Schützen zieht, so blicken wir in die Ebene unserer scheibenförmigen Spiral-Galaxie, die wir, wie schon die alten Griechen, die Milchstraße nennen. Durch ein Fernglas oder ein kleines Teleskop löst sich dieses Lichtband in eine große Zahl lichtschwacher Sterne auf, die alle zu dieser Galaxie gehören. Die Sternbilder sind natürlich Teil unserer Heimatgalaxie, sie haben jedoch wesentlich geringere Abstände zur Sonne und sind daher heller und besser zu sehen als die übrigen Sterne. Unsere Galaxie hat Scheibenform mit einem Durchmesser von mehr als 100 000 Lichtjahren, einer Dicke im Zentrum von 16 000 und in der Peripherie von 3000 Lichtjahren. Die Zahl der zur Milchstraße gehörenden Sterne wird auf bis zu 300 Milliarden geschätzt. Die Sonne befindet sich in einem Abstand von ca. 28000 Lichtjahren vom Zentrum und benötigt für einen Umlauf ungefähr 220 Millionen Jahre. Unsere Milchstraße ist ein Mitglied der sogenannten lokalen Gruppe, zu der die noch größere, bei guten Sichtbedingungen mit bloßem Auge sichtbare Andromedagalaxie (M 31, Abstand 3 Millionen Lichtjahre), die etwas kleinere Galaxie im Sternbild Dreieck (M 33, Abstand 3 Millionen Lichtjahre) und eine Reihe kleiner Galaxien gehören, unter anderen die nur am Südhimmel sichtbare kleine und die große Magellanschen Wolke (Abstand 170 000 Lichtjahre). Die Anzahl der Galaxien in dem uns zugänglichen Teil des Universums wird auf 200 Milliarden geschätzt.

Die Marsmonde

Mars hat 2 Monde mit Namen PHOBOS und DEIMOS (das bedeutet in der griechischen Sprache „Furcht“ und „Schrecken“). Beide Körper sind unregelmäßig geformt. Phobos ist ein dreiachsiges Ellipsoid mit Achsen von 27, 22 und 19 Kilometern, Deimos von 15, 12,2 und 11 km. Es wird heute angenommen, dass beide Körper von Mars im Laufe seiner Existenz eingefangene Asteroiden sind. Durch den geringen Abstand des Mondes Phobos (große Bahnhalbachse 9378 km) von der Marsoberfläche und die daraus resultierende hohe Umlaufgeschwindigkeit und kurze Umlaufzeit von 7 Stunden und 39 Minuten geht Phobos im Westen auf und im Osten unter. Außerdem geschieht wegen der großen Nähe des Mondes zur Marsoberfläche bei jedem Umlauf eine ringförmige Mondfinsternis. Phobos besitzt eine gebundene Rotation, d.h. er wendet dem Mars immer dieselbe Seite zu, weil er sich bei einem Umlauf einmal um seine Rotationsachse dreht. Der Abstand von Deimos zum Mars beträgt 23.459 km, die Umlaufzeit etwas mehr als 30 Stunden. Auch Deimos hat eine gebundene Rotation.

Das Erde-Mond-System

Das physikalische Gesetz von der Erhaltung des Drehimpulses kann auch auf das System Erde – Mond angewendet werden, und führt zu aufschlussreichen Ergebnissen. Der gesamte Drehimpuls dieses Systems besteht aus 4 Komponenten: dem Eigendrehimpuls von Erde und Mond, und dem Bahndrehimpuls beider Körper. Durch Beobachtungen von Sternbedeckungen und Mondfinsternissen hat man festgestellt, dass sich die Umlaufzeit des Mondes in 100 Jahren um 2,1 tausendstel Sekunden vergrößert. Dies entspricht bei der Annahme von Kreisbahnen eine Vergrößerung des Abstandes beider Himmelskörper von 2,7 m pro Jahrhundert. Die Ursache dieser Erscheinung ist die Gezeitenreibung: die Reibung des Wassers der Ozeane auf dem Ozeanboden und die Flutwelle beim Gezeitenablauf führt zur Verlangsamung der Erdrotation. Der Eigendrehimpuls der Erde nimmt aus diesem Grund ständig ab, bis sich schließlich Erde und Mond immer dieselbe Seite zuwenden, indem sie sich um einen gemeinsamen Massenmittelpunkt drehen. Dabei wird der Eigendrehimpuls der Erde auf den Bahndrehimpuls des Mondes übertragen. Die Rechnung zeigt, dass sich im Endstadium der Abstand des Mondes auf das 1,44-fache des heutigen Abstandes vergrößert (es wird dann keine totalen, sondern nur noch ringförmige Sonnenfinsternisse geben). Die Verlangsamung der Erddrehung liegt bei 0,00000002 Sekunden täglich. Vor 100 Jahren war die Periode der Erddrehung um 0,00073 Sekunden kürzer. In die Vergangenheit extrapoliert, z.B. vor 4,5 Milliarden Jahren, ergibt sich eine Tageslänge von nur 5 Stunden. Damals lag der Abstand des Mondes in der Größenordnung der Bahnen heutiger künstlicher Satelliten.

Warum ist der Mond bei einer totalen Mondfinsternis rot verfärbt?

In der Totalität steht der Mond im Kernschatten der Erde und ist dabei von roter bis braungrauer Farbe. Durch die Brechung des Lichts in der Erdatmosphäre wird ein Teil des Sonnenlichts in den Kernschatten gelenkt. Außerdem wird blaues Licht in der Atmosphäre viel stärker gestreut als rotes, daher die rötliche Farbe des Mondes. Bei starker Verschmutzung der Erdatmosphäre, z.B. durch einen Vulkanausbruch (z.B. nach dem Ausbruch des Pinatubo in den neunziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts), wird der Mond im Kernschatten dunkler.