1  Unser Universum: Entstehung, Aufbau, Alter & der ganze Rest [58:10]

Zwar machen wir eine Geochemie-Veranstaltung, aber diese erste Stunde gleicht eher einer kurze Einführung in die Astronomie und Astrophysik. Nun ist es zum Einen interessant den Platz unseres Planeten im Universum ein wenig zu kennen. Aber tatsächlich hat die Geochemie ein paar Schnittmengen mit der Astronomie/Astrophysik. Ganz offensichtlich ist die Schnittmenge bei den Zeiträumen: beide, Geo & Astro, sind historische Wissenschaften, die sich mit der Entwicklung über die letzten Milliarden Jahren beschäftigen – einmal mit Schwerpunkt Erde, einmal mit Schwerpunkt Universum. Eine zweite Schnittmenge ist die Nukleosynthese, sowie die Elementhäufigkeiten. Die Elemente, mit denen wir uns sehr zentral in der Geochemie beschäftigen, sind in unterschiedlichen astrophysikalischen Prozesse entstanden. Diese sind auch für die relativen Häufigkeiten der Elemente interessant. Tatsächlich benötigen Astrophysiker die Isotopen-Häufigkeiten so genannter ›präsolarer Körner‹ in Meteoriten, welche wir Geo/Kosmochemiker bestimmen, um deren nukleosynthetischen Modelle zu bestimmen. Und natürlich gibt es eine Schnittmenge wenn es um protoplanetare Scheiben, die Entstehung der Planten, sowie Exo-Planeten geht. Dazu kommen wir den Veranstaltungen 3 & 4 etwas mehr.
Daher machen wir als warm-up eine kleine tour-de-force durch das Universum, wie es entstand, sich entwickelt hat und womöglich endet. Dabei erhalten wir ein tieferes Verständnis für unseren Platz im Universum – und gleichzeitig fast schon so etwas wie Ehrfurcht, welche Zeiten, Räume und Zusammenhänge wir mit unserem menschlichen Verstand von diesem an sich so winzigen Planeten im Weltall aus alles verstehen können.

Fun Facts
Als Element-Häufigkeit bezeichnen wir meist eine relative Menge.
Als Element-Konzentration bezeichnen wir immer eine absolute Menge.

1.1 Eine kurze Reise durch die Weiten unseres Universums [12:31]

Wir beginnen mit einer Reise von der Erde bis an den Rand des beobachtbaren Universums. Als Geowissenschaftler haben wir es häufig mit riesigen Zeitskalen zu tun, die ein Drittel der Lebenszeit unseres Universums ausmachen. Wenn man sich mit einem Planeten – unserer Erde – beschäftigt, ist es wichtig zumindest eine Idee zu haben, wo sich dieser Planet in unserem Universum befindet, was es noch so gibt, und wie wahrscheinlich es scheint, dass wir alleine sind.

Wie viele Sterne enthält unsere Milchstraße, wie groß ist sie, und wie viele Galaxien gibt es – in etwa?

200 Milliarden Sterne, 100.000 LJ Durchmesser, 1 Billionen Galaxien.

Weshalb bezeichnet man die Struktur des Universums manchmal als ›schaumig‹ oder ›blasig‹?

Stellt man sich einen Schaum vor, dann wäre in den Schaumblasen das nichts und die leeren Weiten des Universums. Die Berührungsflächen der Blasen, bzw. die Blasenhaut selbst wäre die Masseakkumulation, also die Bereiche, an denen sich Haufen, Super-Haufen, Galaxien, etc. bilden.

Wie weit ist unsere Nachbar-Galaxie Andromeda von uns entfernt?

✗ca. 2 Milliarden Lichtjahre

✓ca. 2 Millionen Lichtjahre

✗ca. 2 Tausend Lichtjahre

Was bezeichnet die Abkürzung ›SCR‹?

✓Solar Cosmic Rays

✗Galactic Cosmic Rays

✗Sonic Cosmic Rays

Kosmische Strahlung produziert radiogene Elemente in Meteoriten. Was lässt sich damit bestimmen?

✗Das Alter von Meteorite und damit des Sonnensystems

✓Wie lange Meteorite schon auf der Erde liegen (= terrestrisches Alter)

✗Die Reisezeit von Meteoriten zur Erde

1.2 The Scale of the Universe [10:03]

Das Universum ist nicht nur sehr groß – die kleinsten Teile darin sind außerdem sehr klein. Es ist praktisch unmöglich, sich das vernünftig vorzustellen. Hier stelle ich eine kleine App vor, die genau das anschaulich versucht (die App kostet ca. 90 Cent und gibt es glaube ich nur für iOS,. Kostenfrei geht das jedoch auf über die Webseite: https://htwins.net/scale2). Das Programm erlaubt vom gesamten Universum bis zur kleinsten Länge hin- und her zu zoomen. Auch wenn man dabei fast schon seekrank werden kann, gelingt es dem Programm, die unglaublichen Größenordnungen in Relation zu bringen. Besonders interessant ist es zu beobachten, dass es im Kleinen stärkere Größenordnungsunterschiede gibt als im Großen.

Wie viele Größenordnungen sind es zwischen der Größe …

• … des beobachtbaren Universum und der Planck-Länge?
• … eines Atoms und einem Quark?
• … eines Atoms und eines Neutrinos?
• … einem Mensch und einem Atom?
• … einem Mensch und einem Planet?
• … einem Planet und dem beobachtbaren Universum?

Answer

• … ca. 63
• … ca. 9-13
• … ca. 14
• … ca. 9
• … ca. 8
• … ca. 62

1.3 Alter, Größe, Füllstand & Temperatur des Universums [10:38]

Das Alter des beobachtbaren (dieser Zusatz ist wichtig) Universums wird recht präzise mit 13,7 Milliarden Jahren angegeben. Allerdings erstreckt sich das Universum über dessen beobachtbare Größe aus, und hat einen Durchmesser von etwa 93.2 Milliarden Lichtjahren (Radius: 46.6 Milliarden Lichtjahre). Besonders interessant sind die nur 0.03 Massen-% schwere Elemente im Universum – denn aus diesen schweren Elementen ist die Erde aufgebaut. Das Weltall ist mit 2,725 K nicht nur sehr kalt – es ist mit einem Atom pro 5 m3 auch sehr leer.

Beschreibe prinzipiell wie man das Alter des Universum bestimmt.

Über die Rotverschiebung und die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien.

Was versteht man unter der ›beobachtbaren Größe‹ des Universums?

Es gibt Teile im Universum, die sind weiter entfernt als wir schauen können. Wir können maximal 13.7 LJ zurück schauen, jedoch ist das Universum ca. 93.2 Milliarden LJ im Durchmesser.

Welche Temperatur hat das Universum?

✗2,725 Grad

✗2,725 ºC

✗2,725 Fahrenheit

✓2,725 K

Welchen Radius hat das Universum?

✓46.6 Milliarden Lichtjahre

✗46.6 Millionen Lichtjahre

✗13.7 Milliarden Lichtjahre

✗13.7 Millionen Lichtjahre

Welchen Anteil haben die schweren Elemente an der Masse des Universums?

✗0.003%

✓0.03%

✗0.3%

✗3%

1.4 Die Entstehung, Entwicklung und das Ende unseres Universums [12:52]

Unser Universum entstand vor ca. 14.7 Ga aus einer Singularität – und expandiert seitdem, und das immer schneller. Um das alles erklären zu können, ist die bislang unbekannte Dunkle Materie und Dunkle Energie nötig. Trotzdem wird es wohl irgendwann im Big Crunch wieder auf eine Singularität zusammen schrumpfen. In kleinsten Bruchteilen einer Sekunde nach dem Big Bang ist sehr viel passiert: die 4 Grundkräfte haben sich getrennt und ermöglichten die Bildung von Teilchen, aus denen die ersten Elemente H und He entstanden – und genau die noch heute in uns selbst, die Ozeane oder die Sonne aufbauen. Das Universum war bis zur Bildung der Atome ein undurchsichtiges Plasma, welches erst mit der Bildung der Atome ca. 380 ka nach dem Urknall durchsichtig wurde – ein Moment, der heute als kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung noch beobachtbar ist. Ab etwa 200 Ma nach dem Urknall haben sich die erste Sterne gebildet, welche nur aus H, He bestanden, plus Spuren von Li, welches sich als drittes Element ebenfalls kurz nach der ›Big Bang‹ Nukleosynthese gebildet hat. Nach diesen ersten Sternen müssen sich all die schweren Elemente gebildet haben, welche 9.1 Ga nach dem Big Bang für die Bildung unseres Sonnen- und Planetensystems nötig waren.

Sterne verändern ihre Größe massiv – um mehrere Größenordnungen – während ihres Lebenszyklus. Die Sonne beispielsweise wird ein Roter Riese, und ihr Durchmesser dann größer als der Erd-Orbit.

Welches früheste Ereignis kann man mit einem Satelliten beobachten?

Den Übergang vom undurchsichtigen zum durchsichtigen Universum, d.h. die Rekombinationsphase, als aus dem Teilchenplasma Atome rebkombinierten. Das war 380 ka nach dem Urknall und lässt sich heute als Mikrowellenstrahlung detektieren.

Erkläre kurz welche Grundkräfte es gibt.

Ursprünglich gab es eine vereinheitlichte Kraft, aus der die 4 Grundkräfte sehr, sehr kurz nach dem Urknall hervorgingen: Gravitation, schwache und starke Kernkraft (nur auf kurzen Distanzen im subatomaren Bereich wirksam), sowie die elektromagnetische Kraft, welche wir direkt in zB Elektromotoren anzapfen.

Wann in etwa entstanden die ersten Sterne und Galaxien?

✗ca. 380.000 Jahre nach dem Urknall

✓ca. 200 Ma nach dem Urknall

✓ca. 0,2 Ga nach dem Urknall

✗ca. 200 Ga nach dem Urknall

Welche zwei Elemente entstanden kurz nach dem Urknall?

✓H & He

✗Neutronen & Protonen

✗Gravitation & Elektroschwache Kraft

✓Die zwei leichtesten Elemente

Wie wird unser Universum vermutlich enden?

✗Nie, es expandiert immer weiter

✗Das weiß kein Mensch

✓In einem ›Big Crunch‹

✗ca. 200 Ga nach dem Urknall

1.5 Galaxien [4:55]

Von den ganz großen Strukturen nähern wir uns wieder der Erde an. Unsere Galaxie sowie unseren Platz darin haben wir schon in Kapitel 1.1 kennen gelernt. Daher machen wir einen schnellen Stopp, und schauen uns einmal an, wie viele Galaxien schon an einer kleinen Stelle des Himmels prinzipiell zu sehen sind, und was für Arten von Galaxien es gibt

Nenne verschiedene Typen von Galaxien.

Elliptische Galaxie, Spiralgalaxie, Balken-Galaxie, Irreguläre Galaxie

Wie viele Galaxien sieht man alleine in der Hubble Deep Field Aufnahme?

✗1.000

✓10.000

✗100.000

Die Milchstraße ist eine Balkengalaxie

✗Wahr

✓Falsch

Die Milchstraße hat in ihrem Zentrum ein Schwarzes Loch

✓Wahr

✗Falsch

1.6 Das Hertzsprung-Russell Diagramm [4:16]

Das Hertzsprung-Russell Diagramm (meist einfach nur ›HRD‹ genannt), beschreibt die Entwicklung von Sternen von deren Geburt bis zu ihrem Tod. Es ist eines der fundamentalsten Diagramme in der Astronomie. Und tatsächlich ist das HRD nicht ein Diagramm, sondern existiert in vielen Varianten, je nachdem was auf den beiden Achsen dargestellt ist. Diese Vielseitigkeit unterstreicht den fundamentalen Charakter des HRD. Die Sonne liegt in der Mitte der Hauptreihe, ist ein G2V Stern und in der Mitte ihres Lebens-Zyklus. Sterne beginnen ihre Reise rechts unten (klein & kalt), bewegen sich anschließend durch die Hauptreihe bis etwas oben links (heiß & größer), knicken dann nach oben rechts ab und werden zu einem Roten Riesen, Über-Risen, AGB-Stern, … (kalt & riesig) – abhängig von deren anfänglicher Masse. Schließlich enden sie unten links als Zwerg, Neutronen-Stern, Schwarzes Loch, … (heiß & klein) – erneut abhängig von ihren anfänglichen Masse.

Nenne 3 Haupt Sternklassen im HRD.

Hauptreihe, AGB, Rote Riesen, Weiße Zwerge, …

Was kann man im HRD ablesen?

Die Evolution der Sterne, sowie den Zusammenhang vieler derer Parameter wie: Helligkeit, Leuchtkraft, Masse.

Welche Stern-Klasse ist eine Haupt-Quelle für präsolare Körner?

✗Schwarze Löcher

✗Neutronen-Sterne

✓AGB-Sterne

✗Rote Riesen-Sterne

✗Hauptreihen-Sterne

Wo im HRD befindet sich die Sonne?

✗In etwa der Mitte der Weißen Zwerge

✗In etwa der Mitte der AGB Sterne

✗In etwa der Mitte der Roten Riesen

✓In etwa der Mitte der Hauptreihe

Es gibt nicht nur ein HRD, sondern viele, die auf verschiedene Arten konstruiert werden können.

✓Wahr

✗Falsch

1.7 Vergleich von Sterngrößen [2:55]

Zum Schluss rücken wir ganz nah an die Erde heran, und schauen einmal die GRöunsere Sonne Sterne verändern ihre Größe massiv – um mehrere Größenordnungen – während ihres Lebenszyklus. Die Sonne beispielsweise wird ein Roter Riese, und ihr Durchmesser dann größer als der Erd-Orbit.

Für was steht die Abkürzung HRD und was ist das?

Das Hertzsprung-Russell Diagramm, mit dem Sterne und deren Evolution klassifiziert und nachvollzogen werden können.

Kurz vor dem Ende ihres Lebens-Zyklus wird die Erde eine Roter Riese.

✗Wahr

✓Falsch

Wie groß ungefähr ist ein Weißer Zwerg?

✓Etwa der Größe der Venus.

✗Etwa der Größe des Mars.

✓Etwa der Größe der Erde.

✗Etwa der Größe des Mondes.

Päsenzphase

Der Universumsweg

In Kriftel ganz im Westen von Frankfurt sitzt man zusammen. Man ist sehr stolz auf den dortigen Planetenweg¹, bei dem Unser Sonnensystem im Maßstab 1:1 Milliarde über eine Strecke von etwa 6,5 km abgelaufen werden kann. Man ist stolz in Kriftel, aber nicht zufrieden. Man möchte mehr: einen Weg, über den man unser gesamtes Universum ablaufen kann. Und, noch ambitionierter, nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit. Zur Unterstützung wenden sich die Krifteler findig an die Uni Frankfurt, und stoßen auf dem Weg in die Astronomie/Astrophysik zufällig in eine Gruppe Geochemie-Studierender, welche das Thema gerade durchnimmt. Die Krifteler haben Euch entdeckt. Nicht dumm, haben sich die Krifteler überlegt, die beiden neuen Universumswege entlang des bestehenden Planetenwegs zu legen. Auf diesem gibt es bislang Schautafeln und Reliefs der Planeten. Ihr sollt nun Schautafeln zu den wichtigen Ereignissen in der Entwicklung des Universums, bzw. der Strukturen im Universum entwerfen, und diese in entsprechendem Maßstab entlang des bestehenden Planentenwegs dazu stellen.
¹Planetenweg Kriftel

Aufgaben

1. Entwerft die Tafeln einmal für die Zeit und einmal für den Raum, und verseht sie mit den entsprechenden Ereignissen entlang des Pfads. Dafür braucht Ihr sicherlich die meiste Zeit.

2. Auf eine Tafel wollt Ihr noch die Gesamtmenge der Sterne im Universum notieren. Rechnet die aus und überlegt, ob Euch eine Zahl einfällt, welche in etwa gleich groß ist.

3. Auf jede Tafel soll ein kleiner Glossar mit Begriffen und deren Definitionen. Wählt die Begriffe nach folgenden Kriterien aus:

   1. Wichtigkeit – d.h., den sollte man kennen
   2. Verständnis – d.h., den braucht man, um etwas (auf der Schautafel) zu verstehen

4. Fun Facts & Take Home Messages: Am Ende des Pfades soll eine Abschlusstafel stehen. Auf dieser sollen Dinge wie Größenordnungen, Prozesse – Aspekte jeder Art stehen, welche Ihr am Interessantesten Neuesten, Überraschendsten fandet. Die Besucher sollen damit angeregt werden, selbst darüber nachzudenken, welche Aspekte sie selbst am am Interessantesten Neuesten, Überraschendsten fanden.